DE102009002702B4

DE102009002702B4 - Mikromechanischer Sensor

Info

Publication number: DE102009002702B4
Application number: DE102009002702.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hammer Hanno
Original assignee: Hanking Electronics Ltd
Current assignee: Hanking Electronics Hongkong Co Ltd Hk
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2018-01-18
Anticipated expiration: 2029-04-29
Also published as: US20140352433A1; WO2010125070A1; US8826736B2; US20120048018A1; DE102009002702A1; CN102428348A; US9778038B2; CN102428348B

Abstract

Mikromechanischer Sensor mit einem Substrat (2) und zumindest einer an dem Substrat (2) angeordneten und sich relativ zu dem Substrat (2) bewegenden Masse zur Ermittlung von Bewegungen des Sensors (1) auf Grund einer dabei auftretenden Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft, wobei die Masse und das Substrat (2) und/oder zwei sich zueinander bewegende Massen mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung (6) miteinander verbunden sind, wobei die Biegefedereinrichtung (6) einen oder mehrere Federbalken (9) zum Verbinden der Masse mit dem Substrat (2) und/oder zum Verbinden der zwei sich zueinander bewegenden Massen aufweist und die Biegefedereinrichtung (6) weiter wenigstens einen Mäander (10) mit zwei Mäanderbalken aufweist und der Mäander (10) an dem Federbalken (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (10) einen inneren Krümmungskreis (K1) mit einem Mittelpunkt innerhalb des Mäanders (10) zwischen den beiden Mäanderbalken aufweist, zur Reduzierung auftretender Spannungen der Mäander (10) zusätzlich zu dem Krümmungsradius (r; r1) mit dem inneren Mittelpunkt (MP; MP1) zumindest einen weiteren Krümmungsradius (r; r2, r3) mit einem Mittelpunkt (MP; MP2, MP3) außerhalb der beiden Mäanderbalken des Mäanders (10) aufweist und sich die Feder des Mäanders (10) insgesamt um mehr als 90° um den Krümmungskreis (K; K2, K3) mit äußerem Mittelpunkt (MP; MP2, MP3) oder, bei mehreren äußeren Krümmungskreisen (K4, K5), um mehr als 90° um die äußeren Krümmungskreise (K4, K5) mit äußeren Mittelpunkten (MP) anschmiegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mikromechanische Sensoren werden zur Ermittlung von Beschleunigungen und/oder Drehraten entlang einer bzw. um mindestens eine von drei orthogonal aufeinanderstehenden Raumachsen verwendet. Das Wirkprinzip besteht grundsätzlich darin, dass eine Sensormasse relativ zu einem Substrat als Reaktion auf die entsprechende Beschleunigung oder Drehrate des Sensors bewegt wird. Die Sensormasse ist hierfür beweglich an dem Substrat mittels einer Biegefedervorrichtung, welche in der Regel aus einer oder mehreren Biegefedern besteht, angeordnet. Die Gestaltung dieser Biegefedern ist maßgeblich dafür verantwortlich, in welche Richtungen die Sensormasse bewegbar ist. In den einzelnen Raumrichtungen sind die Federsteifigkeiten der Biegefedern unterschiedlich, um unterschiedliche Biegerichtungen mehr oder weniger zuzulassen. Diese unterschiedliche Beweglichkeit ist beeinflussbar durch eine Variation der Querschnittsfläche der Biegefeder und auch durch den räumlichen Verlauf der Biegefeder. Insbesondere bei einer mäanderförmigen Gestaltung der Biegefeder kann eine relativ hohe Elastizität in der Ebene des Mäanders erreicht werden. Dennoch können bei Schockeinflüssen aufgrund von Schlägen auf den Sensor extreme Biegebeanspruchungen entstehen, welche zu Beschädigungen der Biegefedereinrichtung führen können.
Aus der US 6 401 536 B1 ist ein Beschleunigungssensor bekannt, bei welchem eine Sensormasse mittels einer Biegefedereinrichtung an einem Anker eines Substrates befestigt ist. Die Biegefedereinrichtung besteht aus mehreren einzelnen Biegefedern, welche jeweils an einem Ende an dem Anker befestigt sind. Die Biegefeder ist weiterhin an ihrem der Sensormasse zugewandten Ende aufgeteilt in zwei Äste, welche jeweils an der Sensormasse angeordnet sind. Jeder der Äste der Biegefeder ist mäanderförmig gebogen, wobei die einzelnen Abschnitte jeweils parallel zueinander verlaufen. Jede Windung des Mäanders erfolgt halbkreisförmig um 180°. Je nach dargestellter Ausführung sind ein oder mehrere Mäander pro Ast vorgesehen. Jede der Windungen des Mäanders ist derart, dass sich der Mittelpunkt des jeweiligen Krümmungskreises, an den sich die Biegefeder anschmiegt, innerhalb des jeweiligen Mäanders ist.
Aus der DE 698 22 756 T2 ist ein mikromechanisches Gyroskop bekannt, bei welchem ebenfalls eine Sensormasse mittels einer Biegefedereinrichtung an einem Anker eines Substrats befestigt ist. Die Biegefedereinrichtung erlaubt ebenso wie bei der zuvor genannten Druckschrift eine elastische Beweglichkeit der Sensormasse um den Anker. Die Biegefedereinrichtung besteht aus drei einzelnen Biegefedern, welche jeweils mäanderförmig gebogen sind. Die einzelnen Abschnitte des Mäanders sind nicht parallel zueinander angeordnet. Der Biegeradius der jeweiligen Biegefeder verläuft im entsprechenden Abschnitt über weniger als 180°, so dass die Arme voneinander gespreizt sind. Der Mittelpunkt des jeweiligen Biegeradiuses befindet sich wiederum innerhalb des Mäanders.
Die DE 10 2007 057 044 A1 zeigt eine Feder mit Balkenabschnitten, die im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind oder eine Winkelweite von weniger als 45° zueinander aufweisen. Ein oder mehrere Verbindungsabschnitte verbinden die Balkenabschnitte miteinander, wobei die Balkenabschnitte bezüglich ihrer Längsrichtung relativ zueinander verschiebbar sind. Die Verbindungsabschnitte sind einfach oder wellenförmig gebogen. Einen Federbalken, der von einem Mäander unterbrochen ist, stellt diese Feder nicht dar. Eine Feder mit zueinander fluchtenden Balkenabschnitten offenbart diese Druckschrift nicht.
Nachteilig beim Stand der Technik ist es, dass bei extremen Auslenkungen der Sensormasse relativ hohe Spitzenspannungen in den Biegefedereinrichtungen entstehen. Dies kann zu Schädigungen der Federn und damit des kompletten Sensors führen. Insbesondere können die Federn brechen oder Risse bekommen, wodurch die Beweglichkeit der Sensormasse behindert oder vollständig verhindert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen mikromechanischen Sensor zu schaffen, welcher eine bewegliche Sensormasse aufweist, die in ihrer Beweglichkeit einerseits kontrollierbar ist und andererseits an ihren Federn auch hohe Biegebelastungen aufnehmen kann, ohne dass Beschädigungen zu erwarten sind.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem mikromechanischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Ein erfindungsgemäßer mikromechanischer Sensor weist ein Substrat auf und zumindest eine an dem Substrat angeordnete und sich relativ zu dem Substrat bewegende Masse zur Ermittlung von linearen und/oder Dreh-Beschleunigungen des Sensors. Die Masse bewegt sich einerseits im Sinne einer – bei Wegfall äußerer Beschleunigungen stationärer – Antriebsbewegungsform, und reagiert andererseits mit Erfassungsbewegungen, wenn Beschleunigungs- und/oder Corioliskräfte auf den Sensor wirken. Die sich bewegende Sensormasse ist an dem Substrat mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung befestigt. Alternativ können auch mehrere sich zueinander bewegende Massen mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung miteinander verbunden sein und relativ zueinander bewegt werden. Es ist dementsprechend nicht in jedem Falle notwendig, dass die Sensormasse direkt an dem Substrat angeordnet ist. Bei manchen Ausgestaltungen erfindungsgemäßer mikromechanischer Sensoren kann die Sensormasse auch beispielsweise an einer Antriebsmasse befestigt sein und sich zusammen mit der Antriebsmasse als Primärbewegung bewegen und lediglich zur Anzeige einer Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft relativ zu der Antriebsmasse bewegt werden. Sensormasse und Antriebsmasse sind dann über die entsprechende Biegefedereinrichtung miteinander verbunden. Die Biegefedereinrichtung ist in Form wenigstens eines Mäanders ausgestaltet.
Der Mäander weist einen Krümmungsradius mit einem Mittelpunkt innerhalb des Mäanders auf. Durch die mäanderförmige Gestaltung der Biegefedereinrichtung wird eine besondere Elastizität der Biegefedereinrichtung erreicht. Erfindungsgemäß ist die Biegefedereinrichtung derart ausgebildet, dass der Mäander zusätzlich zu dem Krümmungsradius mit dem inneren Mittelpunkt zumindest einen weiteren Krümmungsradius mit einem Mittelpunkt außerhalb des Mäanders aufweist. Hierdurch werden auftretende Spannungen auf die Biegefedereinrichtung reduziert. Eine Beschädigung oder gar ein Bruch der Biegefedereinrichtung bei extremen Auslenkungen der Sensormasse werden hierdurch vermieden. Außerdem wird ein gleichmäßiges Auslenken der Sensormasse unterstützt, so dass zusätzlich zu der Reduzierung einer Beschädigungsgefahr auch die Genauigkeit des mikromechanischen Sensors bei der Feststellung von Beschleunigungen oder Drehbewegungen des Sensors verbessert wird.
Erfindungsgemäß weist die Biegefedereinrichtung einen oder mehrere Federbalken auf. Ist der Mäander an dem Federbalken angeordnet, so sind an der Biegefedereinrichtung auftretende Spannungen aufgrund einer vorliegenden Biegung deutlich reduzierbar. Die Gefahr eines Bruches oder einer Beschädigung des Federbalkens wird hierdurch reduziert.
Ist der Mäander derart ausgebildet, dass er verrundet in das anschließende Bauteil übergeht, so sind auch hierdurch Spannungen, welche durch eine Biegung hervorgerufen werden, gleichmäßiger und ohne unzulässige Spitzen auch in extremen Biegesituationen zu realisieren. Benachbarte Bauteile des Mäanders können insbesondere ein Federbalken, die Sensormasse, das Substrat selbst oder ein Anker zur Befestigung an dem Substrat sein.
Ebenso wie der Mäander verrundet in das benachbarte Bauteil übergehen kann, um Spannungsspitzen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn der oder die Federbalken ebenfalls verrundet in das benachbarte Bauteil, insbesondere in die Sensormasse oder einen Anker zur Befestigung an dem Substrat übergehen. Damit werden nicht nur Spannungsspitzen im Bereich des Mäanders, sondern auch in der übrigen Biegefedereinrichtung reduziert.
Eine weitere Maßnahme zur Verringerung der Belastung der Biegefedereinrichtung kann dadurch in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfolgen, dass der verrundete Übergang einen im Verlauf ungleichen Krümmungsradius aufweist. Sowohl Mäander als auch Federbalken werden hierdurch besonders schonend bezüglich ihrer Spannungen an die benachbarten Bauteile angebunden. Die Gleichmäßigkeit der Biegung und die damit verbundene Genauigkeit der Messung des Sensors werden hierdurch verbessert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der verrundete Übergang elliptisch ist. Auch hierdurch wird die Beschädigung und die Messgenauigkeit des Sensors positiv beeinflusst.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mäander und/oder der Federbalken verzweigt in die Sensormasse, das Substrat und/oder einen Anker zur Befestigung an dem Substrat übergeht. Spannungsspitzen in den Übergangsstellen werden hierdurch zusätzlich reduziert.
Weist der Mäander und/oder der Federbalken eine bauchartige Auswölbung auf, so dient dies einem Biegeverhalten, welches Spannungsspitzen auch in extremen Situationen, wie beispielsweise mechanische Schocksituationen, reduziert. Beschädigungen des Sensors werden hierdurch ganz erheblich vermieden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Biegefedereinrichtung mehrere Mäander auf, die punkt- oder achsensymmetrisch zueinander verlaufen. Besonders bei großen Biegungen oder hohen zu erwartenden Spannungen ist dies vorteilhaft, da sich die Gesamtspannung auf die mehreren Mäander verteilen kann.
Eine besonders schwache innere Krümmung wird erreicht, wenn sich die Umkehrregion des Mäanders um mehr als 180° um den inneren Krümmungskreis schmiegt. Durch den hierdurch ermöglichten großen Krümmungsradius des inneren Krümmungskreises wird wiederum in vorteilhafter Weise bewirkt, dass Spitzenspannungen auf ein größeres Areal verteilt und somit niedrig gehalten werden können.
Sind Ausführungen der Erfindung mit mehreren inneren Krümmungskreisen vorgesehen, so ist es besonders vorteilhaft, wenn sich die Feder des Mäanders insgesamt um mehr als 180° an die Krümmungskreise anschmiegt. Auch dies wirkt ähnlich wie eine besonders große Umschlingung eines einzigen inneren Krümmungskreises. Spannungsspitzen werden niedrig gehalten. Die einzelnen Krümmungskreise sind mit geradlinigen oder auch gebogenen Abschnitten der Feder verbunden.
Um eine große Umschlingung des bzw. der Krümmungskreise zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn sich der Krümmungskreis des äußeren Mittelpunktes oder bei mehreren äußeren Krümmungskreisen die Krümmungskreise der äußeren Mittelpunkte insgesamt um mehr als 90° an die Feder des Mäanders anschmiegt/anschmiegen. Es wird damit eine bauchförmige Ein- bzw. Auswölbung der Feder des Mäanders erzielt.
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, dass durch ein geschwungenes Design der Biegefedereinrichtung, welche aus mäanderförmigen Federteilen und in manchen Ausführungen einem zusätzlichen Federbalken besteht, Bereiche hoher Oberflächenspannung vermieden werden. Insbesondere durch bauchartige Aus- oder Einwölbungen mit größerem und daher harmloserem Krümmungsradius werden hohe Spannungsspitzen bei einer Biegung vermieden. Hierdurch wird eine erhebliche Steigerung der Bruchfestigkeit, beispielsweise in mechanischen Schocksituationen, welche durch das Fallenlassen des Sensors zustande kommen können, erreicht.
Weitere Vorteile der Erfindung werden in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt
1 eine Draufsicht auf ein Gyroskop,
2 einen Ausschnitt aus 1,
3a eine Prinzipdarstellung der Gestaltung einer Biegefeder gemäß Stand der Technik,
3b eine Prinzipdarstellung der Gestaltung einer erfindungsgemäßen Biegefeder und
4–10 Beispiele erfindungsgemäßer Biegefedereinrichtungen.
1 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor 1, hier einen Drehratensensor zur Erfassung von Drehungen des Sensors 1 um eine Achse. Auf einem Substrat 2 des Sensors 1 ist ein Anker 3 angeordnet, an welchem mittels vier Federn 4 eine Sensormasse 5 drehbar befestigt ist. Die Sensormasse 5 ist mittels einer Biegefedereinrichtung 6 mit der Antriebsmasse 7 verbunden. Vier der Biegefedereinrichtungen 6 sind gleichmäßig am Umfang der Sensormasse 5 verteilt angeordnet. Die Antriebsmasse 7 ist mit daran angeordneten Elektroden 8 oszillierend um die aus der Zeichenebene herausragende z-Achse schwingend in eine Primärbewegung zu versetzen. Diese Primärbewegung wird nahezu ausschließlich von der Antriebsmasse 7 vollzogen. Sie setzt sich nicht auf die Sensormasse 5 fort. Die Sensormasse 5 nimmt somit nicht an der Primärbewegung der Antriebsmasse 7 teil. Tritt nun eine Drehung des Substrats 2 bzw. des Sensors 1 um eine in der Zeichenebene liegende x- bzw. y-Achse auf, so entstehen Corioliskräfte, welche die Antriebsmasse 7 um die y- bzw. x-Achse zu kippen versuchen. Durch eine entsprechende kontrollierte Steifigkeit der Federn 4 und Biegefedereinrichtungen 6 wird der Antriebsmasse 7 zusammen mit der Sensormasse 5 diese Bewegung ermöglicht. Hierzu sind die Biegefedereinrichtungen 6 derart ausgebildet, dass sie einerseits eine Entkoppelung der Schwingung der Antriebsmasse 7 von der Sensormasse 5 in der Primärschwingung erlauben, das heißt, in Umfangsrichtung relativ weich ausgebildet sind, bezüglich der Reaktionsbewegung, nämlich der Sekundärschwingung um die y- bzw. x-Achse, jedoch relativ steif ausgebildet sind, sodass die auslenkende Antriebsmasse 7 die Sensormasse 5 an dieser Bewegung teilhaben lässt.
Aufgrund der erforderlichen Biegungen der Biegefedereinrichtung 6 in Umfangsrichtung und andererseits der Steifigkeit bezüglich einer Schwingung um die y- bzw. x-Achse entstehen auf die Biegefedereinrichtungen 6 sehr unterschiedliche Anforderungen, welche in teilweise hohen Biegespannungen resultieren. Die erfindungsgemäße Ausführung des Sensors weist nun Biegefedereinrichtungen 6 auf, welche diese zu hohen Biegespannungen auf die Biegefedereinrichtung 6 durch eine gezielte Gestaltung vermeiden.
In 2 ist die Biegefedereinrichtung 6 vergrößert dargestellt. Die Biegefedereinrichtung 6 besteht aus einem Federbalken 9 und zwei daran angeordneten Mäandern 10. Die Mäander 10 befinden sich an einer Art Aufspaltung oder Verzeigung des Federbalkens 9. Sie erstrecken sich im Wesentlichen rechtwinklig zu der Länge des Federbalkens 9 nach beiden Seiten des Federbalkens 9.
Der Federbalken 9 ist an seinem ersten Ende mit einem verrundeten Übergang 11 an der Sensormasse 5 angeordnet. Das andere Ende des Federbalkens 9 ist ebenfalls mit einem verrundeten Übergang 11 an der Antriebsmasse 7 angeordnet. Um eine ungünstige Massenansammlung zu vermeiden und die Festigkeit an den Anknüpfungspunkten zu verbessern, ist im Bereich der Übergänge 11 jeweils eine Aussparung 12 vorgesehen, welche eine Verzweigung des Federbalkens 9 bildet. Die Übergänge können beispielsweise rund oder auch elliptisch sein.
Der Mäander 10 ist verrundet ausgebildet und weist Krümmungsradien auf, welche einerseits einen inneren Mittelpunkt und andererseits äußere Mittelpunkte haben. Beginnend an dem Federbalken 9 besteht der Mäander 10 aus einem ersten verrundeten Teilbereich, welcher seinen Krümmungsmittelpunkt außerhalb des Mäanders 10 hat. Diese erste Krümmung führt zu einer bauchartigen Einwölbung des Mäanders 10. Im Anschluss an diesen ersten Abschnitt folgt eine Krümmung mit einem Krümmungsradius, welcher seinen Mittelpunkt innerhalb des Mäanders 10 hat. Diese zweite Krümmung verläuft um einen Wendepunkt des Mäanders. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dieser zweite Krümmungsabschnitt um mehr als 180° an seinen Krümmungskreis angeschmiegt, um die erste nach innen ausgewölbte bauchförmige Wölbung auszugleichen. Als dritter Abschnitt folgt wiederum eine nach innen ausgeprägte Wölbung des Mäanders 10. Der Mittelpunkt des hier vorliegenden Krümmungskreises liegt wiederum außerhalb des Mäanders 10. Der Mäander 10 biegt anschließend wieder in den Federbalken 9 ein. Auch diese Krümmung mit dem Federbalken erfolgt allmählich und mit einem verrundeten Übergang. Die beiden Mäander 10 sind spiegelbildlich zueinander. Sie könnten aber auch je nach Anforderung der Biegefedereinrichtung 6 asymmetrisch sein, das bedeutet, dass nur ein Mäander 10 vorhanden sein könnte oder die beiden Mäander 10 unterschiedlich ausgebildet sind. Durch dieses Gestaltungsprinzip wird vermieden, dass sich am äußeren Ende des Mäanders, an dessen Umkehrbereich, eine Region mit hoher Krümmung, also kleinem Krümmungsradius ausbildet. In Regionen hoher Krümmung bilden sich bei Belastung der Biegefedereinrichtung 6 zumeist hohe Spannungsspitzen, die ungünstigenfalls die Bruchgrenze des Materials überschreiten können.
In 3a, 3b ist das Gestaltungsprinzip der erfindungsgemäßen Biegefedereinrichtung 6 erläutert. 3a zeigt einen Mäander 10, wie er ohne im Sinne der vorliegenden Erfindung modifizierte Geometrie aussehen würde. Die Wendung des Mäanders schmiegt sich an einen Krümmungskreis K mit Radius r und Mittelpunkt MP. Aufgrund der kleinen Distanz zwischen den Federbalken ist der Krümmungsradius r klein, die Krümmung dementsprechend hoch. Wird diese Struktur durch Kräfte belastet, welche innerhalb der Zeichenebene liegen, stellt sich ein deformierter Zustand ein, welcher ebenfalls innerhalb der Zeichenebene liegt. Die dabei auftretenden Spitzenspannungen liegen immer im Bereich der kleinsten Krümmungsradien, im vorliegenden Fall also im Bereich des Krümmungskreises K.
In 3b wurde diese Spitzenspannungsregion entschärft, indem die Krümmung verkleinert, der Krümmungsradius r₁ also gegenüber r vergrößert wurde. Als Folge schmiegt sich nun der Umkehrbereich des Mäanders mehr als 180° um den Krümmungskreis K₁ herum. Um weiterhin eine – konstruktionsmäßig wünschenswerte – kleine Distanz zwischen den inneren quasi-parallelen Mäanderbalken zu erhalten, muss die Feder in solcher Weise zurückgebogen werden, dass sie sich an Krümmungskreise K₂ und K₃ schmiegt, deren Mittelpunkte nun – im Gegensatz zum inneren Krümmungskreis K₁ – außerhalb des Mäanders liegen. Auch hier wird darauf geachtet, die Krümmungsradien r₂ und r₃ möglichst groß zu halten, um Regionen hoher Krümmung und damit hoher Spitzenspannungen möglichst zu vermeiden.
Durch diese geschwungene Gestaltung des Mäanders 10 werden Spannungsspitzen bei einer Auslenkung der Biegefedereinrichtung 6 bzw. des Mäanders 10 so niedrig gehalten, dass im normalen Betrieb des Sensors auch unter extremen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise Schocksituationen, eine Beschädigung der Biegefedereinrichtung 6 bzw. Mäanders 10 vermieden wird. Die Biegespannungen sind deutlich niedriger als bei Biegefedereinrichtungen des Standes der Technik gemäß 3a, welche ohne derartige wechselseitige Krümmungsradien ausgebildet sind. In den 4–10 sind verschiedene Ausführungen von Mäandern gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese Ausführungsbeispiele sind nicht abschließend. Es ist eine Vielzahl anderer Biegefedereinrichtungen möglich, welche nach dem erfindungsgemäßen Prinzip gestaltet sind.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Biegefedereinrichtung 6 mit einem Mäander 10, welcher in seinem ersten Abschnitt zwei Biegeradien im äußeren Bereich aufweist. Aus einem geradlinigen Verlauf der Biegefedereinrichtung 6 wird der Mäander 10 mit einem Krümmungskreis K₄ eingeleitet. Der Mäander 10 erstreckt sich dabei im Wesentlichen rechtwinklig von dem ersten geradlinigen Verlauf, ausgehend von einem ersten Bauteil weg. Nachfolgend ist ein weiterer, kleinerer Krümmungskreis K₅ vorgesehen, mit welchem die Biegefeder wieder nahezu in Gegenrichtung verläuft. Im Bereich des Wendepunktes des Mäanders 10 ist auf der Innenseite des Mäanders 10 ein dritter Krümmungskreis K₆ angeordnet, an welchen sich die Biegefeder anschmiegt. Nach einem kurzen geradlinigen Abschnitt wird die Biegefeder wieder mit den gleichen Biegeradien K₆, K₅ und K₄ in den letzten geradlinigen Abschnitt zurückgeführt und mündet in das zweite elastisch gelagerte Bauteil. Mit der Biegefedereinrichtung 6 sind damit die beiden links und rechts der Biegefedereinrichtung 6 angeordneten Bauteile, welche beispielsweise die Sensormasse 5 und die Antriebsmasse 7 oder aber auch ein Anker 3 und die Sensormasse 5 oder die Antriebsmasse 7 sein können, elastisch miteinander verbunden. Durch die entsprechenden – möglichst großen – Radien der Krümmungskreise, an welche sich die Biegefedereinrichtung 6 bzw. die Biegefeder anschmiegt, wird ein sehr weicher und geschmeidiger Übergang der einzelnen Abschnitte erreicht, wodurch Spannungsspitzen niedrig gehalten werden können.
4a zeigt eine gegenüber der Ausführung der 4 optimierte Biegefedereinrichtung 6. Die Krümmungskreise K₄ und K₅ sind zu einem einzigen Krümmungskreis K_4,5 zusammengefasst. Durch den größeren Radius des Krümmungskreises K_4,5 gegenüber den Radien der Krümmungskreise K₄ und K₅ entsteht eine kleinere Krümmung (Krümmung = 1/Radius) des Krümmungskreises K_4,5. Die Beanspruchung der Biegefeder ist daher geringer und ein Beschädigungsrisiko wird damit reduziert.
In 5 ist ein erfindungsgemäßer Mäander 10 dargestellt, welcher zwei außen angeordnete Krümmungskreise und einen innen angeordneten Krümmungskreis aufweist. Die Rückführung in das zweite Bauteil erfolgt symmetrisch mit wiederum zwei außen angeordneten Krümmungskreisen. Der Übergang 11 in die jeweils elastisch zu lagernden Bauteile ist mit einer Art Aufgabelung der Biegefeder ausgeführt. Der Übergang 11 der Biegefedereinrichtung 6 in die zu verbindenden Bauteile erfolgt hierdurch auch in besonders geeigneter Weise. Die beiden außen liegenden Krümmungsradien sind derart, dass sie eine Schmiegelinie von insgesamt mehr als 90° an den Krümmungskreisen aufweisen, so dass die Biegefeder um mehr als 90° umgelenkt wird. Im Gegensatz zur Ausführung der 4 ist hier nur ein einziger innerer Krümmungskreis vorgesehen. Die Umschlingung der Biegefeder ist größer als 180°.
In 5a ist wiederum eine gegenüber 5 verbesserte Ausführung gezeigt. Die jeweils beiden äußeren Krümmungskreise sind zu einem großen Krümmungskreis mit einer kleinen Krümmung der daran angeschmiegten Biegefeder zusammengefasst. Nachdem erfindungsgemäß eine starke Krümmung der Biegefeder schlechter als eine schwache Krümmung ist, hat diese Ausführung auch Vorteile gegenüber den Ausführungen der 4 und 4a, da der innere Krümmungskreis größtmöglich ausgebildet ist und die Wendung nicht in zwei oder mehrere kleinere Krümmungskreise aufgeteilt ist.
In 6 sind ein äußerer Krümmungskreis K₇ und drei innere Krümmungskreise K₈ (zweimal) und K₉ vorgesehen. Die Biegefeder der Biegefedereinrichtung 6 schmiegt sich an diese Kreise K₇, K₈ und K₉ an, wodurch ein besonders schonender Übergang erzeugt wird. Die Summe der Umschlingungen der inneren Krümmungskreise K₈ und K₉ beträgt mehr als 180°, die Umschlingung des jeweils äußeren Krümmungskreis K₇ beträgt mehr als 90°. Die Verbindung der jeweiligen Krümmungskreise kann mittels gerader oder gebogener Federabschnitte erfolgen.
Die Biegefedereinrichtung 6 der 7 ist eine gegenüber der Ausführung nach 6 optimierte Biegefedereinrichtung 6. Sie schmiegt sich wiederum an zwei äußere Krümmungskreise K₁₀ und einen großen inneren Krümmungskreis K₁₁ an. Die äußeren Krümmungskreise K₁₀ sind innerhalb der Projektion des inneren Krümmungskreises K₁₁ angeordnet, wodurch eine bauchförmige Auswölbung der Biegefeder entsteht. Hierdurch wird eine besonders große Elastizität und spannungsarme Ausbildung der Biegefedereinrichtung 6 erzielt. Die Krümmungskreise K₁₀ sind kleiner als der Krümmungskreis K₁₁; in einer anderen Ausführung kann dies auch umgekehrt sein. Im Idealfall sind alle beteiligten Krümmungskreise etwa gleich groß, da man generell alle Krümmungsradien zu maximieren sucht.
8 zeigt eine Biegefedereinrichtung 6 mit einem doppelten Mäander 10. Die beiden Mäander 10 sind symmetrisch zueinander ausgebildet und entsprechen jeweils etwa dem Mäander 10 der 7. Durch die symmetrische Ausbildung ist eine im Wesentlichen gleiche Biegecharakteristik nach beiden Richtungen der Biegefedereinrichtung 6 gewährleistet.
In 9 ist die Biegefedereinrichtung 6 der 8 nacheinander doppelt angeordnet. Die insgesamt vier Mäander 10 bilden eine besonders elastische Biegefedereinrichtung 6, welche Spannungsspitzen besonders niedrig hält und eine stabile, dauerhafte Biegefedereinrichtung 6 schafft.
10 zeigt eine Abwandlung der Biegefedereinrichtung 6 aus 9. Die Federbalken 9 im Bereich der miteinander verbundenen Bauteile sowie zwischen den Mäanderpaaren 10 sind zweigeteilt ausgeführt. Die Elastizität und Belastbarkeit einer solchen Biegefedervorrichtung ist nochmals erhöht. Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind nur wenige der erfindungsgemäß möglichen Gestaltungen von Biegefedereinrichtungen für mikromechanische Sensoren. Es sind verschiedenste Arten und Größen von Krümmungskreisen ebenso wie unterschiedlichste Anzahlen von Krümmungskreisen, welche die Biegefedereinrichtungen und die Mäander bilden, möglich. Der Begriff „Kreis” ist auch sehr allgemein zu verstehen. Es kann auch eine frei verlaufende Krümmung sein. Wesentlich ist, dass der Krümmungsmittelpunkt auf der jeweils beschriebenen Seite der Biegefeder ist. Es können hierbei auch in einander übergehende Kreisbögen verwendet werden. Wichtig sind die sowohl innerhalb als auch außerhalb der Mäander angeordneten Krümmungskreise, welche in einer besonders vorteilhaften Ausführung zu bauchförmigen Auswölbungen – und damit Regionen schwächerer Krümmung und somit verringerter Spitzenspannungen – des Mäanders führen. Hierdurch werden gleichmäßige und allmählich übergehende Änderungen des Richtungsvektors der Biegefedern erzielt, wodurch Spannungsspitzen besonders bei extremen Belastungen der Biegefedereinrichtung niedrig gehalten werden, und eine Beschädigung der Biegefedereinrichtung hierdurch weitgehend vermieden wird.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Substrat
3: Anker
4: Feder
5: Sensormasse
6: Biegefedereinrichtung
7: Antriebsmasse
8: Elektroden
9: Federbalken
10: Mäander
11: Übergang
K: Krümmungskreis
MP: Mittelpunkt
r: Radius

Claims

Mikromechanischer Sensor mit einem Substrat (2) und zumindest einer an dem Substrat (2) angeordneten und sich relativ zu dem Substrat (2) bewegenden Masse zur Ermittlung von Bewegungen des Sensors (1) auf Grund einer dabei auftretenden Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft, wobei die Masse und das Substrat (2) und/oder zwei sich zueinander bewegende Massen mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung (6) miteinander verbunden sind, wobei die Biegefedereinrichtung (6) einen oder mehrere Federbalken (9) zum Verbinden der Masse mit dem Substrat (2) und/oder zum Verbinden der zwei sich zueinander bewegenden Massen aufweist und die Biegefedereinrichtung (6) weiter wenigstens einen Mäander (10) mit zwei Mäanderbalken aufweist und der Mäander (10) an dem Federbalken (9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (10) einen inneren Krümmungskreis (K1) mit einem Mittelpunkt innerhalb des Mäanders (10) zwischen den beiden Mäanderbalken aufweist, zur Reduzierung auftretender Spannungen der Mäander (10) zusätzlich zu dem Krümmungsradius (r; r₁) mit dem inneren Mittelpunkt (MP; MP₁) zumindest einen weiteren Krümmungsradius (r; r₂, r₃) mit einem Mittelpunkt (MP; MP₂, MP₃) außerhalb der beiden Mäanderbalken des Mäanders (10) aufweist und sich die Feder des Mäanders (10) insgesamt um mehr als 90° um den Krümmungskreis (K; K₂, K₃) mit äußerem Mittelpunkt (MP; MP₂, MP₃) oder, bei mehreren äußeren Krümmungskreisen (K₄, K₅), um mehr als 90° um die äußeren Krümmungskreise (K₄, K₅) mit äußeren Mittelpunkten (MP) anschmiegt.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (10) verrundet in den Federbalken (9) und/oder die Masse und/oder das Substrat (2) und/oder einen Anker (3) zur Befestigung an dem Substrat (2) übergeht.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Federbalken (9) verrundet in die Masse und/oder den Anker (3) zur Befestigung an dem Substrat (2) übergeht.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verrundete Übergang (11) einen im Verlauf ungleichförmigen Krümmungsradius aufweist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verrundete Übergang (11) elliptisch ist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (10) und/oder der Federbalken (9) verzweigt in die Masse, das Substrat (2) und/oder den Anker (3) zur Befestigung an dem Substrat (2) übergeht.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (10) und/oder der Federbalken (9) eine bauchartige Auswölbung aufweist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (10) und/oder der Federbalken (9) eine elliptische Biegung aufweist.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefedereinrichtung (6) mehrere Mäander (10) aufweist, die punkt- oder achsensymmetrisch zueinander verlaufen.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Feder des Mäanders (10) um mehr als 180° um den inneren Krümmungskreis (K₁) mit innerem Mittelpunkt (MP₁) anschmiegt.
Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei mehreren inneren Krümmungskreisen (K₈, K₉) die Feder des Mäanders (10) insgesamt um mehr als 180° an die Krümmungskreise (K₈, K₉) anschmiegt.