DE102010029632A1

DE102010029632A1 - MEMS component with shock protection, device with it and method for shock protection of a MEMS component

Info

Publication number: DE102010029632A1
Application number: DE201010029632
Authority: DE
Inventors: Leopold Beer; Fouad Bennini
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-12-08
Also published as: WO2011151099A1

Abstract

Ein MEMS Bauteil (10, 20) weist einen Schock-Schutz auf, wobei das MEMS Bauteil (10, 20) eine bewegliche Komponente (11, 21), eine Antriebseinrichtung (22) zur Positionierung der beweglichen Komponente (11, 21) und einen Beschleunigungssensor (25) aufweist. Bei einer Detektion einer Beschleunigung gleich oder größer einem vorgegebenen Grenzwert wird die bewegliche Komponente (11, 21) in einer Parkposition gehalten.A MEMS component (10, 20) has shock protection, the MEMS component (10, 20) having a movable component (11, 21), a drive device (22) for positioning the movable component (11, 21) and a Has acceleration sensor (25). When an acceleration equal to or greater than a predetermined limit value is detected, the movable component (11, 21) is held in a parking position.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem MEMS (Micro Electro Mechanical System) Bauteil mit Schock-Schutz und einem Verfahren zum Schock-Schutz eines MEMS Bauteils, wobei das MEMS Bauteil eine bewegliche Komponente und eine Antriebseinrichtung zur Positionierung der beweglichen Komponente aufweist.The invention is based on a MEMS (Micro Electro Mechanical System) component with shock protection and a method for shock protection of a MEMS component, wherein the MEMS component has a movable component and a drive device for positioning the movable component.

Die US 2002/0113191 A1 offenbart ein MEMS Bauteil mit Schock-Schutz und einem Verfahren zum Schock-Schutz eines MEMS Bauteils, wobei das MEMS Bauteil angesteuerte bewegliche Mikrospiegel aufweist. In einer ersten Ausführungsform erfolgt ein Schutz der Mikrospiegel vor Vibrationen, indem einerseits nachgiebige Stützelemente eine Trägerplatte mit den Mikrospiegeln unterstützen und andererseits eine aktive Schwingungsdämpfung mit einer Vibrationseinrichtung erfolgt, die von einem Beschleunigungssensor ein Rückkopplungssignal erhält. In einer zweiten Ausführungsform geschieht ein Schutz der Mikrospiegel vor Schocks mittels nachgiebiger Stützelemente und einem mechanischen Anschlag.The US 2002/0113191 A1 discloses a MEMS device with shock protection and a method of shock protection of a MEMS device, wherein the MEMS device has driven movable micromirrors. In a first embodiment, a protection of the micromirrors from vibrations, on the one hand compliant support elements support a support plate with the micromirrors and on the other hand takes place an active vibration damping with a vibration device, which receives a feedback signal from an acceleration sensor. In a second embodiment, protection of the micromirrors from shocks occurs by means of resilient support elements and a mechanical stop.

Nach der WO 2004/044518 A2 erfolgt eine Schockprävention eines MEMS Bauteils bei einem vorher bekannten Ereignis mit einer hohen Beschleunigung über eine Zeitspanne, indem das Bauteil eine gewisse Zeitdauer vor dem Ereignis in einer Parkposition an einem Anschlag positioniert wird.After WO 2004/044518 A2 Shock prevention of a MEMS component takes place in a previously known event with a high acceleration over a period of time, in which the component is positioned against a stop a certain amount of time before the event in a parking position.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Dagegen hat das erfindungsgemäße MEMS Bauteil mit Schock-Schutz bzw. Aufprallschutz, die Vorrichtung, mit diesem MEMS Bauteil und das Verfahren zum Schock-Schutz eines MEMS Bauteils den Vorteil, dass das MEMS Bauteil, insbesondere darin enthaltene mikromechanische Spiegel, nach einem freien Fall vor Brüchen bzw. vor einer Zerstörung geschützt werden.By contrast, the MEMS component with shock protection or impact protection according to the invention, the device with this MEMS component and the method for shock protection of a MEMS component have the advantage that the MEMS component, in particular micromechanical mirrors contained therein, projects after a free fall Fractures or to be protected from destruction.

Eine Detektion des freien Falls des MEMS Bauteiles, erfolgt vorzugsweise durch einen Beschleunigungssensor, um entsprechend vor einem Aufprall bewegliche Komponenten des MEMS Bauteiles, insbesondere im Falle eines Mikrospiegels die Spiegelplatten, in einer festen Parkposition zu parken bzw. zu halten.A detection of the free fall of the MEMS component is preferably carried out by an acceleration sensor in order to accordingly park or hold components of the MEMS component which are movable in front of an impact, in particular in the case of a micromirror the mirror plates.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die feste Halteposition der Spiegelplatten die Massenträgheit reduziert und damit die Belastung der reduziert wird.A particular advantage of the invention is that reduced by the fixed holding position of the mirror plates, the inertia and thus the burden is reduced.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und es erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the device according to the invention and method of the invention will be explained with reference to the drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines MEMS Bauteiles gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer beweglichen Komponente in einer Arbeitsposition; 1 a schematic representation of a MEMS component according to an embodiment of the present invention with a movable component in a working position;

2 eine schematische Darstellung des MEMS Bauteiles aus 1 mit der beweglichen Komponente in einer Parkposition; 2 a schematic representation of the MEMS component from 1 with the movable component in a parking position;

3 eine schematische Darstellung eines MEMS Bauteiles gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit integriertem Schockschutz; und 3 a schematic representation of a MEMS component according to another embodiment of the present invention with integrated shock protection; and

4 ein Flussdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 a flowchart of the method according to an embodiment of the present invention.

In den 1–4 wird die Erfindung anhand eines Mikrospiegels als MEMS Bauteil erläutert. Mikrospiegel sind mikromechanische Aktuatoren, welche in Verbindung mit einer Lichtquelle für Bildprojektionen und Scan Applikationen angewendet werden. Diese Aktuatoren bestehen hauptsächlich aus einer oder mehreren beweglichen und reflektierenden Spiegelplatten, welche durch Federn an einem Träger aufgehängt sind. Die Spiegelplatte wird durch in MEMS üblicherweise eingesetzte Energiewandler angetrieben bzw. bewegt, z. B. elektrostatisch oder elektromagnetisch. Mögliche Ausführungsformen sind zwei- und dreidimensionale Torsionsspiegel, wobei die Spiegelplatte über Torsionsfedern geschwenkt wird sowie eine Ausführungsform in der matrixförmig angeordnete Spiegel digital angesteuert werden. Mikromechanische Spiegel werden in kommerziell verfügbaren Beamern mit einer Spiegel-Matrix eingesetzt sowie in tragbare Geräte integriert, z. B. in Mobiltelefone und Pocketbeamer. Mikromechanische Spiegel sind in der Praxis aufgrund der Größe ihrer beweglichen Spiegelplatte und der dünnen Aufhängungen sehr empfindlich gegenüber Schockbelastungen.In the 1 - 4 The invention will be explained with reference to a micromirror as a MEMS component. Micromirrors are micromechanical actuators that are used in conjunction with a light source for image projection and scanning applications. These actuators consist mainly of one or more movable and reflective mirror plates, which are suspended by springs on a support. The mirror plate is driven or moved by energy converters commonly used in MEMS, e.g. B. electrostatically or electromagnetically. Possible embodiments are two- and three-dimensional torsion mirrors, wherein the mirror plate is pivoted via torsion springs and an embodiment in the matrix-shaped mirror are digitally controlled. Micromechanical mirrors are used in commercially available projectors with a mirror matrix and integrated into portable devices, e.g. B. in mobile phones and Pocketbeamer. Micromechanical mirrors are in practice very sensitive to shock loads due to the size of their movable mirror plate and the thin suspensions.

1 stellt als MEMS Bauteil 10 einen dreidimensionalen mikromechanischen Spiegel 18 mit einer beweglichen reflektierenden Spiegelplatte 11 in einer Arbeitsposition bzw. in einem normalen Betrieb dar. Die Spiegelplatte 11 ist um eine Schwenkachse 12 in den Richtungen des Doppelpfeils 13 sowie um eine nicht gezeigte Schwenkachse senkrecht zu der Schwenkachse 12 schwenkbar. Die Spiegelplatte 11 ist über nicht gezeigte Aufhängungselemente und Aktuatoren über einem Träger bzw. Substrat 14 positioniert. Die Aktuatoren bilden einen Antrieb für eine Arbeitssteuerung, die die Spiegelplatte 11 in eine extern vorgegebene einstellbare Arbeitsposition bringt. die Spiegelplatte 11 reflektieren elektromagnetische Wellen. 1 represents as MEMS component 10 a three-dimensional micromechanical mirror 18 with a movable reflective mirror plate 11 in a working position or in a normal operation. The mirror plate 11 is about a pivot axis 12 in the directions of the double arrow 13 and about a pivot axis, not shown, perpendicular to the pivot axis 12 pivotable. The mirror plate 11 is not shown above suspension elements and actuators on a support or substrate 14 positioned. The actuators form a drive for a work control, which is the mirror plate 11 in a externally specified adjustable working position brings. the mirror plate 11 reflect electromagnetic waves.

2 zeigt den mikromechanischen Spiegel 18 aus 1 mit der Spiegelplatte 11 in einer Parkposition, die der Spiegel 18 insbesondere nach Detektion eines freien Falls mittels eines Beschleunigungssensors einnimmt. In der Parkposition bzw. Halteposition liegt die Spiegelplatte 11 mit einer Kante 15 auf dem Träger 14 auf. Der Träger 14 bildet somit einen mechanischen Anschlag 16 für die schwenkbare Spiegelplatte 11. Die Spiegelplatte 11 wird von dem Antrieb für die Arbeitssteuerung an dem Träger 14 geparkt und dort gehalten. Die Spiegelplatte 11 nimmt die Parkposition vor einem Aufprall ein. Durch die feste Parkposition der Spiegelplatte 11 wird die Massenträgheit reduziert und somit die Belastung von Aufhängungsfedern reduziert. 2 shows the micromechanical mirror 18 out 1 with the mirror plate 11 in a parking position, the mirror 18 especially after detection of a free fall by means of an acceleration sensor occupies. In the parking position or holding position is the mirror plate 11 with an edge 15 on the carrier 14 on. The carrier 14 thus forms a mechanical stop 16 for the pivoting mirror plate 11 , The mirror plate 11 is from the drive for the work control on the carrier 14 parked and held there. The mirror plate 11 takes the parking position before an impact. Due to the fixed parking position of the mirror plate 11 the inertia is reduced, thus reducing the load on suspension springs.

Das MEMS Bauteil 10 kann zusätzlich zu der Antriebseinrichtung 22 eine elektrische oder magnetische Komponente aufweisen, mittels der die bewegliche Komponente bzw. die Spiegelpatte 11 in der Parkposition gehalten wird.The MEMS component 10 can in addition to the drive device 22 an electrical or magnetic component, by means of which the movable component or the mirror plate 11 is held in the park position.

In einer nicht gezeigten abgewandelten Ausführungsform mit Torsionsspiegeln weist die Spiegelplatte 11 eine Antriebskomponente unabhängig von der Antriebseinrichtung 22 für die Arbeitssteuerung auf, mit der die Spiegelplatte 11 in die Parkposition bzw. Halteposition gebracht wird.In a modified embodiment, not shown, with torsion mirrors, the mirror plate 11 a drive component independent of the drive device 22 for the work control on, with the mirror plate 11 is brought into the parking position or holding position.

In einer weiteren nicht gezeigten abgewandelten Ausführungsform wird die Spiegelplatte 11 an einem speziell dafür vorgesehenen mechanischen Anschlag geparkt bzw. gehalten.In a further embodiment, not shown, the mirror plate 11 parked or held on a specially provided mechanical stop.

3 zeigt ein MEMS Bauteil 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit integriertem Schockschutz. Das MEMS Bauteil 20 weist eine bewegliche Komponente 21 auf, wobei die bewegliche Komponente 21 bei dieser Ausführung ein Feld 28 mit vielen dreidimensionalen Spiegeln 18 gemäß 1 ist, die von Aktuatoren 22 für jede Spiegelplatte 11 angetrieben werden. Die Aktuatoren sind mit einer Steuereinheit 23 verbunden, welche die Aktuatoren über eine Leitung 24 ansteuert. Das MEMS Bauteil 20 weist weiterhin mindestens einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor 25 auf, der mit der Steuereinheit 23 über Leitung 26 verbunden ist. Die Matrix bzw. das Feld 28 der Spiegel 18 wird jeweils für jeden Spiegel 18 einzeln entsprechend Steuersignalen angesteuert, die von außen der Steuereinheit 23 des MEMS Bauteils 20 über eine Leitung 27 übermittelt werden. 3 shows a MEMS component 20 according to another embodiment of the present invention with integrated shock protection. The MEMS component 20 has a movable component 21 on, with the movable component 21 in this embodiment, a field 28 with many three-dimensional mirrors 18 according to 1 is that of actuators 22 for every mirror plate 11 are driven. The actuators are equipped with a control unit 23 connected to the actuators via a line 24 controls. The MEMS component 20 furthermore has at least one three-dimensional acceleration sensor 25 on that with the control unit 23 via wire 26 connected is. The matrix or the field 28 the mirror 18 is for each mirror 18 individually controlled in accordance with control signals from the outside of the control unit 23 of the MEMS component 20 over a line 27 be transmitted.

Die Funktion des Aufprall bzw. Schockschutzes erfolgt wie folgt. Falls der Beschleunigungssensor 25 eine große Beschleunigung detektiert, die gleich oder größer einem vorgegebenen Grenzwert ist, wird ein Signal von dem Beschleunigungssensor 25 an die Steuerung 23 der beweglichen Komponente 21 gesendet. Dieses Signal führt in einem Prozessor der Steuerung 23 zu einem Interrupt und die beweglichen Komponente 21, d. h. alle Spiegelplatten 11, werden in eine definierte feste Position bewegt und dort gehalten. Das MEMS Bauteil 20 weist einen mechanischen Anschlag 16 auf und die bewegliche Komponente 21 liegt vor einem möglichen Aufprall in der Parkposition an dem mechanischen Anschlag 16 an.The function of the impact or shock protection is as follows. If the acceleration sensor 25 detects a large acceleration that is equal to or greater than a predetermined limit, becomes a signal from the acceleration sensor 25 to the controller 23 the movable component 21 Posted. This signal results in a processor of the controller 23 to an interrupt and the moving component 21 ie all mirror plates 11 , are moved to a defined fixed position and held there. The MEMS component 20 has a mechanical stop 16 on and the moving component 21 is before a possible impact in the parking position on the mechanical stop 16 at.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem MEMS Bauteil 20 weist eine Steuereinheit 23 zur Steuerung der Antriebseinrichtung 22 zur Positionierung der beweglichen Komponente 21 unter Verwendung von Signalen des Beschleunigungssensors 25 auf. Die Steuereinheit 23 kann wie in 3 in das MEMS Bauteil 20 integriert sein oder alternativ separat davon vorgesehen werden.A device according to the invention with a MEMS component 20 has a control unit 23 for controlling the drive device 22 for positioning the movable component 21 using signals from the acceleration sensor 25 on. The control unit 23 can be like in 3 into the MEMS component 20 be integrated or alternatively provided separately.

4 zeigt ein Flussdiagramm 30 eines Verfahrens zum Schock-Schutz bzw. Aufprall-Schutz eines MEMS Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei weist das MEMS Bauteil 10, 20 eine bewegliche Komponente 21, eine Antriebseinrichtung 22 zur Positionierung der beweglichen Komponente und einen Beschleunigungssensor 25 auf. Die bewegliche Komponente 21 ist zunächst in einer beliebigen Arbeitsposition. Das Verfahren beginnt mit dem Verfahrensschritt (a), nämlich Detektieren einer Beschleunigung, die das MEMS-Bauteil erfährt. Es folgt in einem Verfahrensschritt (b) ein Prüfen, ob die detektierte Beschleunigung gleich oder größer einem vorgegebenen Grenzwert ist. Falls die detektierte Beschleunigung gleich oder größer dem vorgegebenen Grenzwert ist, folgt in einem Verfahrensschritt (c) ein Positionieren der beweglichen Komponente 21 in einer Parkposition bzw. Aufprallschutz-Positon. Die bewegliche Komponente 21 wird in die Parkposition geführt und dort gehalten. Falls in dem Verfahrensschritt (b) die Beschleunigung kleiner als der vorgegebene Grenzwert ist wird mit dem Verfahrensschritt (a) fortgefahren und die bewegliche Komponente 21 nimmt weiterhin die bisherige Arbeitsposition ein. 4 shows a flowchart 30 of a method for shock protection of a MEMS device according to an embodiment of the present invention. In this case, the MEMS component 10 . 20 a mobile component 21 , a drive device 22 for positioning the movable component and an acceleration sensor 25 on. The moving component 21 is initially in any working position. The method begins with method step (a), namely, detecting an acceleration experienced by the MEMS device. It follows in a method step (b) to check whether the detected acceleration is equal to or greater than a predetermined limit. If the detected acceleration is equal to or greater than the predetermined limit value, positioning of the movable component follows in a method step (c) 21 in a parking position or impact position. The moving component 21 is guided to the parking position and held there. If, in the method step (b), the acceleration is less than the predetermined limit value, the method step (a) is continued and the movable component 21 continues to occupy the previous working position.

Die Arbeitsposition kann mit der Parkposition übereinstimmen selbst wenn keine Beschleunigung des MEMS-Bauteils erfolgt, beispielsweise zufällig oder wenn das Gerät inaktiv ist. Dieser Zustand ist allerdings unabhängig von einer Messung der Beschleunigung.The working position may coincide with the parking position even if there is no acceleration of the MEMS device, for example at random or when the device is inactive. However, this state is independent of a measurement of the acceleration.

Die bewegliche Komponente wird bei einer möglichen Ausführungsform über eine vorgegebene Zeitdauer in der Parkposition gehalten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die mikromechanischen Spiegel bzw. Spiegelplatten 11 vor Brüchen bzw. vor einer Zerstörung nach einem freien Fall bei einem Aufprall geschützt. Das Verbringen bzw. Verschwenken der beweglichen Komponenten, insbesondere der Spiegelplatten 11 erfolgt nach Detektion einer hohen Beschleunigung des MEMS-Bauteils mit einer hohen Bewegungs- bzw. Schwenkgeschwindigkeit um den Anschlag 16 zu erreichen. Die Steuerung dieser Schwenkbewegung durch einen Prozessor der Steuerung 23 erfolgt in Echtzeit. Alternativ kann die Steuerung auch durch einen ASIC oder fest verdrahtet (hard-wired) erfolgen. Bei einer möglichen Ausführungsform ist neben dem unteren mechanischen Anschlag 16 auch ein oberer mechanischer Anschlag vorgesehen.The movable component is held in the parking position for a predetermined period of time in one possible embodiment. The micromechanical mirrors or mirror plates are produced by the method according to the invention 11 before breaks or protected from destruction after a free fall in an impact. The movement or pivoting of the movable components, in particular the mirror plates 11 occurs after detection of a high acceleration of the MEMS component with a high speed of movement or pivoting about the stop 16 to reach. The control of this pivotal movement by a processor of the controller 23 done in real time. Alternatively, the control can also be done by an ASIC or hardwired. In one possible embodiment, in addition to the lower mechanical stop 16 also provided an upper mechanical stop.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird die bewegliche Komponente in der Parkposition gehalten, nachdem festgestellt wird, dass die Beschleunigung über eine definierte Zeitdauer um weniger als einem definierten Grenzwert von der Erdbeschleunigung g abweicht. Nach der definierten Zeitdauer kann das Gerät mit dem MEMS-Bauteil 10, 20 als hinreichend ruhig gehalten angesehen werden. Die bewegliche Komponente 21 kann zusätzlich zu einer vorgegebenen Zeitdauer über die definierte Zeitdauer in der Parkposition gehalten werden, wobei die vorgegebene Zeitdauer dann eine Mindestzeitdauer darstellt.In a further embodiment, the movable component is held in the park position after it is determined that the acceleration over a defined period of time deviates from the gravitational acceleration g by less than a defined limit. After the defined period of time, the device can with the MEMS component 10 . 20 considered to be kept sufficiently quiet. The moving component 21 can be held in the park position over the defined period of time in addition to a predetermined period of time, the predetermined time then representing a minimum period of time.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2002/0113191 A1 [0002]
WO 2004/044518 A2 [0003]

Claims

MEMS component ( 10 . 20 ) with shock protection, whereby the MEMS component ( 10 . 20 ) a movable component ( 11 . 21 ), a drive device ( 22 ) for positioning the movable component ( 11 . 21 ) and an acceleration sensor ( 25 ), wherein upon detection of an acceleration which is equal to or greater than a predetermined limit value, the movable component ( 11 . 21 ) is held in a parking position.

MEMS component according to claim 1, characterized in that the MEMS component ( 10 . 20 ) at least one mechanical stop ( 16 ) and the movable component ( 11 . 21 ) in the parking position on the mechanical stop ( 16 ) is present.

MEMS component according to claim 1 or 2, characterized in that the MEMS component ( 10 . 20 ) in addition to the drive device ( 22 ) has an electrical or magnetic component, by means of which the movable component ( 11 . 21 ) is held in the park position.

MEMS component according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the movable component ( 11 . 21 ) at least one micromirror ( 18 ) having.

MEMS component, according to one of claims 1 to 4, characterized in that the movable component ( 11 . 21 ) a field ( 28 ) of micromirrors ( 18 ) having.

Device with a MEMS component ( 10 . 20 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the device comprises a control unit ( 23 ) for controlling the drive device ( 22 ) for positioning the movable component ( 11 . 21 ) using signals from the acceleration sensor ( 25 ) having.

Method for shock protection of a MEMS component ( 10 . 20 ), wherein the MEMS component ( 10 . 20 ) at least one movable component ( 11 . 21 ), a drive device ( 22 ) for positioning the movable component ( 11 . 21 ) and an acceleration sensor ( 25 ), comprising the following steps: a) detecting an acceleration of the MEMS component ( 10 . 20 ); b) checking whether the acceleration is equal to or greater than a predetermined limit; and if the acceleration is equal to or greater than the specified limit c) positioning the movable component ( 11 . 21 ) in a parking position.

Method according to claim 7, characterized in that the movable component ( 11 . 21 ) is held in the park position for a predetermined period of time.

Method according to claim 7 or 8, characterized in that the movable component ( 11 . 21 ) is held in the park position after the acceleration deviates from the acceleration due to gravity by less than a defined limit over a defined period of time.

Method according to claim 7, 8 or 9, characterized in that the MEMS component ( 10 . 20 ) a mechanical stop ( 16 ) and the movable component ( 11 . 21 ) in the parking position on the mechanical stop ( 16 ) is present.

Method according to one of claims 7 to 10, characterized in that the MEMS component ( 10 . 20 ) in addition to the drive device ( 22 ) has an electrical or magnetic component, by means of which the movable component ( 11 . 21 ) is held in the park position.

Method according to one of claims 7 to 11, characterized in that the movable component ( 11 . 21 ) by a micromirror ( 18 ) is formed.

Method according to one of claims 7 to 12, characterized in that the movable component ( 11 . 21 ) through a field ( 28 ) of micromirrors ( 18 ) is formed.