DE102011007168B4

DE102011007168B4 - Mikro-elektro-mechanischer Sensor sowie Verfahren zur Justierung und zum Betrieb des Sensors

Info

Publication number: DE102011007168B4
Application number: DE102011007168.7A
Authority: DE
Inventors: Alessandro Rocchi; Eleonora Marchetti
Original assignee: Hanking Electronics Ltd
Current assignee: Hanking Electronics Hongkong Co Ltd Hk
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2019-09-19
Anticipated expiration: 2031-04-12
Also published as: DE102011007168A1

Abstract

Verfahren zur Justierung eines mikro-elektro-mechanischen Sensors (1), der ein Substrat (4) und zumindest eine mit dem Substrat (4) in Verbindung stehende und relativ zu dem Substrat (4) bewegbare Masse (2) aufweist, wobei der Masse (2) mehrere Antriebselemente (3) zugeordnet sind zum oszillierenden Antrieb der Masse (2) entlang oder um eine Antriebsachse (z), und wobei die Masse (2) mit dem Substrat (4) über zumindest eine zwischen der Masse (2) und einem auf dem Substrat (4) angeordneten Anker (8) befestigte Biegefederanordnung (5) verbunden ist, wobei die Masse (2) aus einer Antriebs- und einer Erfassungsmasse besteht, der Antrieb der Antriebsmasse mit einer ersten Resonanzfrequenz um eine Antriebsachse erfolgt und die Masse (2) bei Auftreten einer Bewegung des Sensors (1) durch die entstehende Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft ganz oder teilweise als Erfassungsmasse mit einer zweiten Resonanzfrequenz um eine weitere Achse ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefederanordnung (5) wenigstens zwei Federbalken (6, 7) umfasst, die an dem einen Anker (8) und der Masse (2) angeordnet sind und die zwischen dem einen Anker (8) und der Masse (2) parallel verlaufen und dass ein Abstand (a) der Federbalken (6, 7) zueinander derart gewählt und/oder verändert wird, dass die erste Resonanzfrequenz der Antriebsmasse einem definierten Wert entspricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikro-elektro-mechanischen Sensor zur Ermittlung von Bewegungen, der ein Substrat und zumindest eine mit dem Substrat in Verbindung stehende und relativ zu dem Substrat bewegbare Masse aufweist, wobei der Masse mehrere Antriebselemente zugeordnet sind zum oszillierenden Antrieb der Masse entlang oder um eine Antriebsachse und wobei die Masse mit dem Substrat über zumindest eine zwischen der Masse und zumindest einem auf dem Substrat angeordneten Anker befestigte Biegefederanordnung verbunden ist, sowie ein Verfahren zur Justierung und zum Betrieb eines solchen mikro-elektro-mechanischen Sensors.
Aus der US 5 955 668 A ist ein Mikro-Gyroskop bekannt, welches einen um ein Zentrum oszillierend bewegten Ring als Antriebsmasse aufweist. Dieser Ring ist mittels Federn an einem zentralen Massekörper befestigt, welcher an der Antriebsbewegung in der Regel nicht teilnimmt. Bei Auftreten einer Bewegung des Substrats bzw. des Sensors um eine Erfassungsachse wird sowohl die Antriebsmasse als auch die zentrale Erfassungsmasse aufgrund einer auf sie einwirkenden Corioliskraft um die Erfassungsachse gedreht. Auf der Erfassungsachse sind zwei Anker angeordnet, um welche über eine Biegefederanordnung die Erfassungsmasse in der Erfassungsachse kippbar ist. Die Biegefederanordnung besteht jeweils aus drei einzelnen Federn, von denen die mittlere Feder entlang der Erfassungsachse angeordnet ist und die beiden äußeren Federn, die vom Anker ausgehend zu der Erfassungsmasse hin ausgerichtet sind. Es wird damit eine relativ steife Federanordnung geschaffen, welche lediglich eine Kippbewegung der Erfassungsmasse zusammen mit der Antriebsmasse erlaubt. Die Biegefedern zwischen Antriebsmasse und der Erfassungsmasse sind in herkömmlicher Weise ausgebildet. Sie sind insbesondere für den Antrieb um die z-Achse sehr weich ausgeführt. Obwohl die Frequenzbereiche, mit welcher die Antriebsmasse oszillierend bewegt wird, sehr wichtig für eine Störsicherheit und eine genaue Erfassung der Drehbewegungen des Substrats sind, besteht durch die Ausgestaltung dieser einfachen Biegefedern kaum eine Möglichkeit hierauf wesentlichen Einfluss zu nehmen.
Aus der US 2005/0223800 A1 ist ein Drehratensensor bekannt, dessen Antriebsmasse an acht unabhängig voneinander angeordneten Federn befestigt ist. Jede der Federn ist an einem Anker im Zentrum des Sensors befestigt. In einem mittleren Abschnitt verlaufen jeweils zwei benachbarte Federn parallel zueinander. Die Besonderheit dieser Offenbarung besteht darin, dass die einzelnen Federn an ihren Enden, kurz bevor sie an ihrem jeweils zugeordneten Anker bzw. an der Masse befestigt sind einen gebogenen Abschnitt aufweisen. Damit soll die Spannung in den Federn abgebaut werden und es soll eine höhere Antriebsfrequenz erzielt werden. Diese Ausführung ist nachteilig, da die Befestigung der einzelnen Federn an ihren Ankern sehr störanfällig ist und darüber hinaus einen relativ hohen Platzbedarf beansprucht.
Aus der DE 10 2007 001 516 B3 ist ein mikromechanisches Bauelement beschrieben, das ein Schwingungssystem umfasst, das einen Schwingungskörper und eine elastische Aufhängung, mittels der der Schwingungskörper schwingfähig aufgehängt ist, aufweist. Die elastische Aufhängung weist zumindest zwei Federbalken auf. Eine Einrichtung zum Einstellen einer Resonanzfrequenz des Schwingungssystems durch Änderung der Lage der zumindest zwei Federbalken der elastischen Aufhängung zueinander ist vorgesehen. Es soll damit ein Konzept zur kombinierten Einstellung und Abstimmung einer Resonanzfrequenz eines mikromechanischen Bauelements geschaffen werden, die während des Betriebs des mikromechanischen Bauelements möglich ist. Die Einrichtung zum Einstellen der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems ist dadurch sehr aufwändig konstruiert und nimmt Einfluss auf das Schwingungsverhalten.
Die Druckschriften DE 102 38 893 A1 , DE 10 2009 002 701 A1 , EP 2 184 583 A1 , WO 01/20259 A1 und DE 101 08 198 A1 offenbaren nichts zur Einstellung einer Biegefedereinrichtung auf eine gewünschte Resonanzfrequenz der daran befestigten Masse und offenbaren auch nur Federbalken, welche mehr oder weniger unterschiedliche Abstände aufweisen und damit nur sehr schwer einstellbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit die genannten Nachteile zu vermeiden und ein sicheres System einer Biegefedereinrichtung für mikro-elektro-mechanische Sensoren zu schaffen, welches auch bei extremer Belastung bzw. Auslenkung stabil ist und äußerst genau auf eine gewünschte Resonanzfrequenz der daran befestigten Masse einstellbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem mikro-elektro-mechanischen Sensor und entsprechenden Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Ein erfindungsgemäßer mikro-elektro-mechanischer Sensor dient zur Ermittlung von Bewegungen. Der Sensor weist ein Substrat und zumindest eine mit dem Substrat in Verbindung stehende und relativ zu dem Substrat bewegbare Masse auf. Üblicherweise dienen solche Sensoren zur Erfassung von Drehraten um eine, zwei oder drei Drehachsen des Sensors. Derartige Drehungen werden erfasst, indem auf die bewegte Masse Corioliskräfte einwirken, welche bei einer entsprechenden Aufhängung der Masse deren ganze oder teilweise Auslenkung aus der Antriebsebene heraus bewirken. Diese Auslenkung wird über Elektroden, welche der Masse und dem Substrat zugeordnet sind, mittels elektrischer Signale erfasst und ausgewertet. Für den Antrieb der bewegbaren Masse sind der Masse mehrere Antriebselemente zugeordnet. Die Masse wird hierbei oszillierend entlang oder um eine Antriebsachse herum angetrieben. Die Masse ist mit dem Substrat oder zumindest einem zwischen der Masse und dem Substrat angeordnetem Anker befestigten Biegefederanordnung verbunden. Diese Antriebsmasse ist somit direkt auf dem Substrat mittels eines oder mehrerer Anker befestigt. Die Biegefederanordnung und die Befestigung der Federn an dem Anker ist direkt ausschlaggebend für die Charakteristik der Antriebsfrequenz der Masse.
Diese Masse kann aufgeteilt sein in eine Antriebs- und eine Erfassungsmasse. Bei einer solchen Aufteilung ist die Antriebsmasse kontinuierlich und oszillierend angetrieben. Beim Einwirken einer Corioliskraft auf diese Antriebsmasse bewegt sich die komplette Antriebsmasse oder ein Teil davon als Erfassungsmasse aus der Ebene der Antriebsrichtung heraus und kann dort mittels entsprechenden Elektroden erfasst werden.
Die erfindungsgemäße Biegefederanordnung umfasst wenigstens zwei Federbalken, die zwischen dem Anker und der Masse parallel verlaufen. Die beiden parallelen Federbalken sind an ihrem einen Ende an dem Anker und ihrem zweiten Ende an der Masse befestigt. Die Federbalken verlaufen dabei über ihre gesamte Länge parallel zueinander.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Biegefederanordnung ist, dass hierdurch ein besonders robustes System an Biegefedern erhalten wird. Die Ankopplung der Biegefedern an den Ankern ist ebenso wie deren Ankopplung die bewegte Masse sehr stabil und dennoch platzsparend ausführbar. Durch den parallelen Verlauf der beiden Biegefedern kann sehr gut Einfluss genommen werden auf das Biegeverhalten und damit das Bewegungsverhalten der daran befestigten Masse. Das Bewegungsverhalten der Masse ist bei der gegebenen Biegefederanordnung beeinflussbar durch die Variation der Breite der einzelnen Federbalken, deren Länge sowie deren Abstand voneinander. Hierdurch ist auf einfache Weise eine Resonanzfrequenz der bewegten Masse veränderbar, sodass für das System eine vorbestimmte Resonanzfrequenz der bewegten Masse eingestellt werden kann.
Dienen die Biegefedern darüber hinaus nicht nur zur Befestigung der Antriebsmassen, sondern auch der Erfassungsmassen, so sind die unterschiedlichen Anforderungen an diese beiden Massen hinsichtlich ihrer Resonanzfrequenzen ebenfalls mit dieser einen Biegefederanordnung zu beeinflussen. Auch hier kann durch eine Variation der Breite der Federbalken deren Länge sowie deren Abstand die Resonanzfrequenz sowohl der Antriebsmasse als auch der Erfassungsmasse verändert werden. Der mikro-elektro-mechanische Sensor, der mit der erfindungsgemäßen Biegefederanordnung ausgestattet ist, kann damit optimal auf vorbestimmte Eigenschaften und Empfindlichkeiten hin gestaltet werden.
Vorzugsweise sind an dem erfindungsgemäßen Sensor mehrere, vorzugsweise vier Biegefederanordnungen vorhanden, zwischen denen sich die Masse erstreckt. Hierdurch ist es möglich, dass eine optimierte Massenverteilung in Bezug auf die Federanordnungen geschaffen wird, so dass die Tragfähigkeit der Biegefedern optimal und vorteilhafterweise beeinflusst wird. Insbesondere die Tragfähigkeit der Biegefedern kann hierdurch deutlich optimiert werden.
Erstrecken sich die Federn ausgehend vom Anker in die dem Schwerpunkt der Masse abgewandte Richtung, so ist auch hierdurch die Tragfähigkeit der Federn positiv beeinflusst. Außerdem wird die Biegefähigkeit der Federn erleichtert, da ein größerer Kraftangriff auf die Federn erfolgen kann.
Sind die Federbalken jeweils zweier Biegefederanordnungen im wesentlich colinear oder senkrecht zueinander verlaufend angeordnet, so kann die Masse des Sensors verteilt an den Biegefederanordnungen bzw. Ankern befestigt sein und es entsteht ein kräftemäßig ausgeglichenes System. Im Übrigen wirken die beiden jeweils colinear zusammenwirkenden Biegefederanordnungen zusammen und ermöglichen sowohl, dass die Masse als Antriebsmasse um eine Achse, beispielsweise die z-Achse, des Systems herum oszillierend angetrieben wird und andererseits um die colinear, das heißt fluchtend zueinander angeordneten Biegefederanordnungen auch gekippt werden kann und somit auch als Erfassungsmasse dient.
Vorteilhafterweise ist die Biegefederanordnung und der Anker in einer Draufsicht in Form eines U ausgebildet, dessen Schenkel durch die Federbalken und dessen Basis durch den Anker gebildet sind. Auch in dieser Anordnung wird deutlich, dass die beiden Federbalken von ihrem ersten, dem Anker zugeordneten Ende bis zu ihrem zweiten, der Masse zugeordneten Ende parallel zueinander verlaufen. Beide Federbalken sind an ihrem einen Ende fest an dem Anker und an ihrem anderen Ende fest an der Masse angeordnet. Bei einer Bewegung der Masse werden die beiden parallelen Federbalken ebenfalls weitgehend parallel zueinander verbogen und wirken mit ihren Federcharakteristiken aufeinander ein. Die beiden Federbalken wirken somit wie ein einziger Federbalken, allerdings mit wesentlich mehr Gestaltungsmöglichkeiten hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Resonanzfrequenzen der Masse.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Länge der Federbalken einer Biegefederanordnung insbesondere um ein mehrfaches größer ist als der Abstand der Federbalken einer Biegefederanordnung zueinander. Es entsteht somit ein relativ enganliegendes paralleles Fehlerpaket, welches, ohne sich bei der Bewegung zu berühren, dennoch zusammenwirkt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Biegefederanordnung eine Rotation der Masse um alle drei Raumachsen erlaubt. Die Federsteifigkeit in den verschiedenen Achsen kann durch die Gestaltung der einzelnen Federbalken wesentlich beeinflusst werden. So kann wiederum durch die Dicke der Federbalken, deren Breite, deren Abstand sowie deren Länge großer Einfluss auf die Biegesteifigkeit in der jeweiligen Richtung genommen werden. Je nachdem, ob die gesamte Masse einer Antriebsmasse ausgelenkt werden soll oder nur ein Teil davon als Erfassungsmasse, kann durch diese Gestaltung die Elastizität, die Beweglichkeit und damit die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Sensors beeinflusst werden.
Weist der Sensor zwei Kippachsen auf, um welche die Masse bei Bewegung des Sensors durch die resultierende Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft in einer oszillierenden Bewegung kippbar ist, so ist es sehr einfach möglich den entsprechenden erfindungsgemäßen Sensor als 1D-, 2D- oder 3D-Sensor auszuführen, wobei es sogar möglich ist, dass die Masse sowohl Antriebs- als auch Erfassungsmasse ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Sensor sehr klein und kompakt gebaut wird. Durch die erfindungsgemäße Biegefederanordnung können die unterschiedlichen Anforderungen an die Masse für den Fall der Funktion als Antriebsmasse und für den Fall der Funktion als Erfassungsmasse sehr einfach durch die Gestaltung der Federbalken implementiert werden.
Bei einer Aufteilung der Masse in eine Antriebsmasse und eine Erfassungsmasse ist es möglich, dass zwischen der Biegefederanordnung und der Masse eine weitere relativ zum Substrat bewegbare Masse angeordnet ist und beide Massen durch wenigstens eine weitere Biegefederanordnung verbunden sind. Hierdurch kann eine Aufteilung der Masse in eine Antriebsmasse und eine Erfassungsmasse erfolgen.
In an sich bekannter Weise stellen vorzugsweise die Antriebselemente Antriebselektroden dar, welche insbesondere in Form von Gabel- oder Kammelektroden ausgebildet sind.
Ebenfalls in an sich bekannter Weise sind zwischen Substrat und Masse Sensorelemente vorgesehen, welche insbesondere in Form von Sensorelektroden ausgebildet sind. Durch diese Sensorelemente kann eine Auslenkung der Erfassungsmasse detektiert werden und durch eine Änderung des elektrischen Signals der Sensorelektroden eine Bewegung des Substrats bzw. des Sensors festgestellt werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Justierung eines mikro-elektro-mechanischen Sensors, wie er zuvor beschrieben wurde, besteht die Masse aus einer Antriebs- und einer Erfassungsmasse. Der Antrieb der Antriebsmasse erfolgt mit einer ersten Resonanzfrequenz um eine Antriebsachse herum. Die Masse wird bei Auftreten einer Bewegung des Sensors durch die entstehende Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft ganz oder teilweise als Erfassungsmasse mit einer zweiten Resonanzfrequenz um eine weitere Achse ausgelenkt.
Erfindungsgemäß ist der Abstand der Federbalken zueinander derart gewählt und/oder verändert, dass die erste Resonanzfrequenz der Antriebsmasse einem definierten Wert entspricht. Durch den Abstand der Federbalken ist die erste Resonanzfrequenz der Antriebsmasse sehr einfach beeinflussbar. Bei der Gestaltung des Sensors bzw. der Biegefederanordnung kann somit bereits auf die Eigenschaften des Sensors ganz erheblich Einfluss genommen werden. Der Abstand der Federbalken und die daraus resultierende Resonanzfrequenz für die Antriebsmasse kann bei der Gestaltung des Sensors berechnet oder getestet werden um die erforderliche Resonanzfrequenz zu erhalten. Durch die gewünschte Resonanzfrequenz kann der Sensor stabil gegen Einflüsse von außen ausgebildet werden. Insbesondere Schläge auf den Sensor können bei einer entsprechend gewählten ersten Resonanzfrequenz die Stabilität des Sensors unter rauen Umweltbedingungen positiv beeinflussen.
Vorteilhafterweise wird das Verhältnis von Länge und Abstand der Federbalken zueinander derart gewählt und/oder verändert, dass die erste Resonanzfrequenz einem ersten und die zweite Resonanzfrequenz einem zweiten definierten Wert entspricht. Somit kann durch das Verhältnis von Länge und Abstand der Federbalken zueinander nicht nur auf die Antriebsmasse und deren erste Resonanzfrequenz, sondern auch auf die Erfassungsmasse mit ihrer zweiten Resonanzfrequenz Einfluss genommen werden. Die beiden können hierdurch optimal aufeinander abgestimmt werden, so dass die Empfindlichkeit des Sensors sowohl im Hinblick auf äußere Einflüsse als auch auf die Genauigkeit der Messung Einfluss genommen werden kann.
Bei der Gestaltung des Sensors ist es von Vorteil, wenn zunächst die Länge derart gewählt und/oder verändert wird, dass die zweite Resonanzfrequenz dem zweiten definierten Wert entspricht und anschließend erst der Abstand der Federbalken zueinander derart gewählt und/oder verändert wird, dass die erste Resonanzfrequenz dem ersten definierten Wert entspricht. Bei dieser Gestaltungsvorschrift kann sehr einfach auf die einzelnen Resonanzfrequenzen der Antriebs- und der Erfassungsmasse Einfluss genommen werden, wobei berücksichtigt wird, dass bei einer Veränderung des einen Parameters der andere Parameter nicht zu einer deutlich veränderten Resonanzfrequenz führt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich zum Abstand der Federbalken zueinander auch die Breite der Federbalken in Abhängigkeit der gewünschten Werte der ersten und der zweiten Resonanzfrequenz gewählt und/oder verändert wird. Auch die Breite der Federbalken nimmt somit Einfluss auf die Resonanzfrequenzen und kann in Abstimmung auf die gewünschten zu erzielenden Resonanzfrequenzen gewählt werden.
Durchgeführt werden kann die Anpassung der Breite und/oder des Abstandes der Federbalken durch Material auf- oder abtragende Verfahren. Die Federbalken werden hierdurch breiter oder dünner ausgeführt und verändern somit auch den Abstand zwischen den beiden Federbalken.
Ein mikro-elektro-mechanischer Sensor, welcher aufgebaut ist wie der anfangs beschriebene mikro-elektro-mechanische Sensor, ist in der Lage, dass er eine relativ zu dem Substrat bewegbare Masse aufweist, wobei die Masse um eine Antriebsachse in einer oszillierenden Drehbewegung, bzgl. einer Nullstellung in zwei entgegengesetzte Drehrichtungen, antreibbar ist. Die Drehbewegung erfolgt in beide Drehrichtungen mit einem definierten Drehwinkel. Die Ermittlung der Bewegungen des Sensors bzw. des Substrats erfolgt auf Basis einer die Masse beeinflussenden Corioliskraft. Erfindungsgemäß ist der Drehwinkel größer als zwei Grad, vorzugsweise größer als drei Grad. Besonders vorteilhaft wird dieser Drehwinkel erreicht, wenn eine Biegefederanordnung gemäß der zuvor beschriebenen Erfindung verwendet wird. Grundsätzlich sind aber auch andere Biegefederanordnungen denkbar, welche derart große Drehwinkel ohne Beschädigung auf lange Dauer aushalten können.
Durch den großen Drehwinkel ist es möglich, dass ein sehr stabiler Sensor bzgl. äußerer Störungseinflüsse aber dennoch ein sehr sensibler Sensor bzgl. der Erfassung von Drehbewegungen des Substrats erhalten wird. Durch die Drehbewegung wird bei Auftreten einer Bewegung auf das Substrat bzw. den Sensor an sich, eine Corioliskraft erzeugt, welche eine Rotationsbewegung der Masse um eine Erfassungsachse bewirkt, die senkrecht zur Antriebsachse verläuft. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung des mikro-elektro-mechanischen Sensors ist es somit möglich, dass eine, zwei oder sogar drei Erfassungsachsen in dem Sensor implementiert sind, je nachdem wie die Rotationsbewegung der Masse ausgestaltet ist sowie die Aufhängung der Antriebs- bzw. Erfassungsmasse erfolgt ist.
Vorzugsweise sind zwei Erfassungsachsen des Sensors vorgesehen, die senkrecht aufeinander angeordnet sind. Durch die zwei Erfassungsachsen ist ein 2D-Sensor geschaffen, welcher Bewegungen des Sensors um zwei Drehrichtungen erfassen kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung, insbesondere in Verbindung mit der Biegefederanordnung mit parallel zueinander verlaufenden Federbalken, ist die Masse als Antriebsmasse mit einer ersten Resonanzfrequenz antreibbar, die zwischen 16 Kilohertz und 24 Kilohertz, vorzugsweise zwischen 18 und 22 Kilohertz liegt. Dieser Frequenzbereich hat sich als besonders vorteilhaft für den Antrieb der Antriebsmasse erwiesen.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Masse bei Auftreten einer Bewegung des Sensors ganz oder teilweise als Erfassungsmasse mit einer zweiten Resonanzfrequenz um eine Rotationsachse auslenkbar ist. Als zweite Resonanzfrequenz hat sich eine Frequenz zwischen 16 Kilohertz und 24 Kilohertz, vorzugsweise zwischen 18 Kilohertz und 22 Kilohertz herausgestellt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Resonanzfrequenz genauso groß oder kleiner ist als die zweite Resonanzfrequenz. Hierdurch wird ein besonders stabiles System erreicht, welches insbesondere durch die Gestaltung der Doppelfeder in der oben beschriebenen Biegefederanordnung mit zwei parallel zueinander verlaufenden Federbalken zwischen einem Anker und der Masse vorgesehen ist.
Der zuvor beschriebene mikro-elektro-mechanische Sensor wird mit einem Verfahren betrieben, bei welchem der Drehwinkel größer als zwei Grad, vorzugsweise größer als drei Grad ist. Der Sensor wird dabei vorzugsweise als 1D-, 2D- oder 3D-Sensor eingesetzt. Die Antriebsmasse wird vorzugsweise mit einer ersten Resonanzfrequenz angetrieben, welche zwischen 16 und 24 Kilohertz, vorzugsweise zwischen 18 und 22 Kilohertz liegt. Ebenso wird die Erfassungsmasse mit einer zweiten Resonanzfrequenz angetrieben, welche im selben Frequenzbereich liegt. Idealerweise ist die erste Resonanzfrequenz genauso groß oder kleiner als die zweite Resonanzfrequenz.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt

1 eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung des Sensors,
2 eine Darstellung des Sensors gemäß 1 in gedrehter Position und
3 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts mit einer Biegefederanordnung.

In 1 ist eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung eines mikro-elektro-mechanischen Sensors 1 gezeigt. Der Sensor 1 besteht im Wesentlichen aus einer Masse 2 und an deren äußerem Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Antriebselementen 3. Diese Masse 2 ist gleichzeitig Antriebs- und Erfassungsmasse. Sie wird komplett angetrieben und auch komplett zur Erfassung einer Drehrate ausgelenkt.
Die Antriebselemente 3 weisen in herkömmlicher Art Kammelektroden auf, welche zum Antrieb des Sensors 1 um die z-Achse, welche eine Antriebsachse darstellt, dienen. Die Antriebselemente 3 sind hier nur schematisch dargestellt und nicht näher ausgeführt. Die Antriebsbewegung A des Sensors 1 ist mit einem Doppelpfeil angedeutet. Sie erfolgt in oszillierender Weise um die Antriebs- bzw. z-Achse herum. Die Masse 2 und die Vielzahl von Antriebselementen 3 liegen in einer x/y-Ebene, welche durch eine x-Achse und eine y-Achse aufgespannt ist. Die x/y-Ebene ist parallel zu einem Substrat 4, auf welchem die Masse 2 und die Antriebselemente 3 angeordnet sind.
Die Masse 2 ist mittels einer Biegefederanordnung 5 auf dem Substrat 4 befestigt. Die Biegefederanordnung 5 besteht aus zwei im Wesentlichen parallel verlaufenden Federbalken 6 und 7, welche eine geradlinige Verbindung zwischen der Masse 2 und einem Anker 8 bilden. Die Federbalken 6 und 7 erstrecken sich ausgehend vom Anker 8 etwa radial vom Zentrum der Masse 2 weg bis zu einer Befestigungsstelle, an welche die Federbalken 6 und 7 mit ihrem zweiten Ende an der Masse 2 angeordnet sind. In der Masse 2 ist für die Anordnung der Federbalken 6 und 7 sowie dem Anker 8 ein Ausschnitt 9 gebildet, welcher genügend groß ist um eine Biegung der Federbalken 6 und 7 bei der oszillierenden Antriebsbewegung A sicherzustellen.
Anker 8 und Biegefederanordnung 5 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Mal vorgesehen um die Masse 2 gleichmäßig befestigen zu können. Die Anker 8 und Biegefederanordnungen 5 sind hierfür gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet und befinden sich jeweils 45° zur x-Achse versetzt.
Zur Erfassung einer Drehbewegung des Substrats 4 sind Erfassungsbewegungen E₁ bzw. Erfassungsbewegung E₂ um die x-Achse bzw. y-Achse möglich. Die Biegefederanordnung 5 ist hierfür entsprechend ausgelegt. Durch die Biegefederanordnung 5 ist einerseits die Antriebsbewegung A möglich. Hierbei werden die Federbalken 6 und 7 in der x/y-Ebene hin und her gebogen. Sobald das Substrat 4 um die x-Achse oder die y-Achse gedreht wird, wird aufgrund einer hierdurch erzeugten Corioliskraft eine erste oder zweite Erfassungsbewegung E₁ oder E₂ erzeugt. Hierbei kippt die Masse 2 mit ihren Antriebselementen 3 um die x-Achse (erste Erfassungsbewegung E₁ ) oder um die y-Achse (zweite Erfassungsbewegung E₂ ). Es sind auch kombinierte Bewegungen möglich.
Die Drehbewegung der Masse 2 und der Antriebselemente 3 um die Antriebsachse z ist mit der damit verbundenen Auslenkung der Federbalken 6 und 7 in 2 dargestellt. Die Ausführung der erfindungsgemäßen Biegefedern 6 und 7 macht es möglich, dass die Antriebsbewegung A sehr stark oszillierend ist. Die Bewegung kann dabei Verdrehungen der Masse 2 und der Antriebselemente 3 um mehr als zwei Grad in jeder Richtung ausgehend von der Nulllage betragen. Dieser Winkel α ist durch die große Elastizität und die Beeinflussbarkeit der Federbalken 6 und 7 bzgl. ihrer Federwirkung sehr groß realisierbar.
Vorzugsweise ist die Aussparung 9 in der Masse 2 so groß, dass bei einer maximalen Auslenkung der Masse 2 diese nicht an den Anker 8 anstößt. Der Anker 8 und die Aussparung 9 können aber auch so ausgelegt sein, dass die Aussparung 9 einen Stopper für die Masse 2 darstellt, so dass bei einer Erschütterung von außen auf den Sensor 1 keine Beschädigung der bewegten Massen zu befürchten ist.
Die Federbalken 6 und 7 sind geradlinig ausgeführt, wobei sie im rechten Winkel in dem Anker 8 bzw. die Masse 2 münden. Bei einer Verbiegung wie sie in 2 dargestellt ist, bilden die Federbalken 6 und 7 jeweils einen Doppelbogen aus. Die beiden Federbalken 6 und 7 unterstützen sich sowohl bei der Antriebsbewegung der Masse 2 als auch bei den Erfassungsbewegungen E₁ und E₂ um die x- bzw. y-Achse herum.
Bei einer Erfassungsbewegung E₁ oder E₂ ändert sich durch das Kippen um die x- bzw. y-Achse der Abstand der Masse 2 von dem Substrat 4. Diese Abstandsänderung ist beispielsweise durch Elektroden, welche an der Unterseite der Masse 2 und an der Oberseite des Substrats 4 angeordnet sind, erfasst, indem das elektrische Signal der beiden Elektroden durch die Kippbewegung verändert wird. Aus dem elektrischen Signal ist somit einerseits die Kippbewegung und damit indirekt die Drehbewegung des Sensors 1 zu ermitteln, da diese proportional zur einwirkenden Corioliskraft ist. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Biegefederanordnung 5 bestehend aus dem ersten Federbalken 6 und dem zweiten Federbalken 7. Die Federbalken 6 und 7 sind an dem Anker 8 mit ihrem einen Ende und an der Masse 2 mit ihrem zweiten Ende befestigt. Die Federbalken 6 und 7 verlaufen zwischen ihren beiden Enden geradlinig und parallel zueinander. Für eine störungsfreie Bewegung der Masse 2 sowohl in Antriebsbewegung A als auch in den Erfassungsbewegungen E₁ und E₂ ist in der Masse 2 die Aussparung 9 vorgesehen. Die Ränder der Aussparung 9 berühren in der Regel nicht den Anker 8 oder die Federbalken 6 oder 7. Die Abstände können jedoch so ausgelegt sein, dass insbesondere der Anker 8 als eine Art Stopper für die Masse 2 dient, gegen welchen die Ränder der Aussparung 9 bei einer übermäßigen, nicht vorgesehenen Auslenkung der Masse 2 anstößt.
Die Biegefederanordnung 5 weist den ganz besonderen Vorteil auf, dass durch eine Gestaltung der Federbalken 6 und 7 das Bewegungsverhalten des Sensors 1 wesentlich zu beeinflussen ist. Um vorbestimmte Resonanzfrequenzen sowohl für die Drehbewegung des Antriebs der Masse 2 als auch für die Erfassungsbewegungen E₁ und E₂ zu erhalten, wird der Abstand der Federbalken 6 und 7 zueinander ausgewählt. Durch eine Veränderung des Abstandes a ist die Resonanzfrequenz um die Antriebsachse z am ehesten beeinflussbar. Durch eine Anpassung der Länge I der Federbalken 6 und 7 in Relation zu dem Abstand a ist darüber hinaus die zweite Resonanzfrequenz für die Erfassungsbewegungen des Sensors 1 beeinflussbar. Wie groß im Einzelfall der Abstand a und die Länge I bzw. deren Verhältnis zueinander sein muss, hängt von Gegebenheiten, wie der Antriebsbewegung A, der Größe und Form der Masse 2 sowie den Antriebselementen 3 ab. Das geeignete Verhältnis ist nach den vorher bestimmten Resonanzfrequenzen festzulegen.
Ein weiteres Kriterium für die Eigenschaften der Federanordnung ist die Breite b₁ und b₂ der Federbalken 6 und 7. Auch hierdurch ist die Resonanzfrequenz beeinflussbar. Durch vorheriges Festlegen der Resonanzfrequenzen kann ein entsprechender Federbalken mit einer geeigneten Breite b₁ bzw. b2 und einem geeigneten Verhältnis von Abstand a zu Länge I festgelegt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So ist eine entsprechende Biegefederanordnung auch einsetzbar für mehrteilige Sensoren, bei welchen die Antriebsbewegung A auf eine erste Masse und die Erfassungsbewegung E₁ bzw. E₂ auf eine zweite und/oder dritte Masse erfolgt, wobei sich diese Massen auch teilweise überlappen können. Auch kann die Biegefederanordnung eingesetzt werden, wenn die Masse nicht rotatorisch, sondern translatorisch bewegt wird. Auch hiermit können sich Vorteile bezüglich der Resonanzfrequenzeinstellung und der großen Auslenkbarkeit der Masse ergeben.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Masse
3: Antriebselement
4: Substrat
5: Biegefederanordnung
6: Federbalken
7: Federbalken
8: Anker
9: Aussparung
E₁: Erfassungsbewegung
E₂: Erfassungsbewegung
x: Erfassungsachse
y: Erfassungsachse
z: Antriebsachse
a: Abstand
b: Breite
l: Länge
α: Drehwinkel

Claims

Verfahren zur Justierung eines mikro-elektro-mechanischen Sensors (1), der ein Substrat (4) und zumindest eine mit dem Substrat (4) in Verbindung stehende und relativ zu dem Substrat (4) bewegbare Masse (2) aufweist, wobei der Masse (2) mehrere Antriebselemente (3) zugeordnet sind zum oszillierenden Antrieb der Masse (2) entlang oder um eine Antriebsachse (z), und wobei die Masse (2) mit dem Substrat (4) über zumindest eine zwischen der Masse (2) und einem auf dem Substrat (4) angeordneten Anker (8) befestigte Biegefederanordnung (5) verbunden ist, wobei die Masse (2) aus einer Antriebs- und einer Erfassungsmasse besteht, der Antrieb der Antriebsmasse mit einer ersten Resonanzfrequenz um eine Antriebsachse erfolgt und die Masse (2) bei Auftreten einer Bewegung des Sensors (1) durch die entstehende Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft ganz oder teilweise als Erfassungsmasse mit einer zweiten Resonanzfrequenz um eine weitere Achse ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefederanordnung (5) wenigstens zwei Federbalken (6, 7) umfasst, die an dem einen Anker (8) und der Masse (2) angeordnet sind und die zwischen dem einen Anker (8) und der Masse (2) parallel verlaufen und dass ein Abstand (a) der Federbalken (6, 7) zueinander derart gewählt und/oder verändert wird, dass die erste Resonanzfrequenz der Antriebsmasse einem definierten Wert entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Länge (I) und Abstand (a) der Federbalken (6, 7) zueinander derart gewählt und/oder verändert wird, dass die erste Resonanzfrequenz einem ersten und die zweite Resonanzfrequenz einem zweiten definierten Wert entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Länge (I) derart gewählt und/oder verändert wird, dass die zweite Resonanzfrequenz dem zweiten definierten Wert entspricht und anschließend der Abstand (a) der Federbalken (6, 7) zueinander derart gewählt und/oder verändert wird, dass die erste Resonanzfrequenz dem ersten definierten Wert entspricht.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die Breite der Federbalken (6, 7) in Abhängigkeit der gewünschten Werte der ersten und/oder zweiten Resonanzfrequenz gewählt und/oder verändert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Breite (b) und/oder des Abstandes (a) der Federbalken (6, 7) durch materialauf- oder abtragende Verfahren erfolgt.
Mikro-elektro-mechanischer Sensor zur Ermittlung von Bewegungen, der ein Substrat (4) und zumindest eine mit dem Substrat (4) in Verbindung stehende und relativ zu dem Substrat (4) bewegbare Masse (2) aufweist, wobei der Masse (2) mehrere Antriebselemente (3) zugeordnet sind zum oszillierenden Antrieb der Masse (2) entlang oder um eine Antriebsachse (z), und wobei die Masse (2) mit dem Substrat (4) über zumindest eine zwischen der Masse (2) und einem auf dem Substrat (4) angeordneten Anker (8) befestigte Biegefederanordnung (5) verbunden ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefederanordnung (5) wenigstens zwei Federbalken (6, 7) umfasst, die an dem einen Anker (8) und der Masse (2) angeordnet sind und die zwischen dem einen Anker (8) und der Masse (2) parallel verlaufen.
Sensor gemäß dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mehrere, vorzugsweise vier, Biegefederanordnungen (5) aufweist und sich die Masse (2) zwischen die Biegefederanordnungen (5) erstreckt.
Sensor gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Federbalken (6, 7) ausgehend vom Anker (8) in die dem Schwerpunkt der Masse (2) abgewandte Richtung erstrecken.
Sensor gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federbalken (6, 7) jeweils zweier Biegefederanordnungen (5) im Wesentlichen colinear oder senkrecht zueinander verlaufen.
Sensor gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefederanordnung (5) und der Anker (8) in einer Draufsicht in Form eines U ausgebildet sind, dessen Schenkel durch die Federbalken (6, 7) und dessen Basis durch den Anker (8) gebildet sind.
Sensor gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (I) der Federbalken (6, 7) einer Biegefederanordnung (5), insbesondere um ein mehrfaches, größer ist als der Abstand (a) der Federbalken (6, 7) einer Biegefederanordnung (5) zueinander.
Sensor gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefederanordnung (5) eine Rotation der Masse (2) um alle drei Raumachsen erlaubt.
Sensor gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) zwei Kippachsen (E₁, E₂) aufweist, um welche die Masse (2) bei Bewegung des Sensors (1) durch die resultierende Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft in einer oszillierenden Bewegung kippbar ist.
Sensor gemäß dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kippachsen (E₁, E₂) senkrecht zueinander und senkrecht zu einer Drehachse (z) der Masse (2) verlaufen.
Sensor gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Biegefederanordnung (5) und der Masse (2) eine weitere relativ zum Substrat (4) bewegbare Masse angeordnet ist und beide Massen über wenigstens eine weitere Biegefederanordnung (5) verbunden sind.
Sensor gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (3) Antriebselektroden, insbesondere in Form von Gabel- oder Kammelektroden, umfassen.
Sensor gemäß einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Substrat (4) und Masse (2) Sensorelemente, insbesondere in Form von Sensorelektroden, angeordnet sind.