DE102011057169A1 - Mikroelektromechanisches System - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches System zur Erfassung von Beschleunigungen um oder entlang einer x-, y- und/oder z-Achse, mit einem Substrat sowie mit einer Antriebs- und einer Erfassungsmasse, die parallel zu dem Substrat in einer x-y-Ebene angeordnet sind und die relativ zu dem Substrat bewegbar gelagert sind.
- Aus der
WO 2009/079188 A1 - Die in dieser Druckschrift vorgeschlagenen Öffnungen sind zwar in der Lage die Steifigkeit zu beeinflussen. Nachteilig ist jedoch, dass die Antriebs- und Erfassungsmasse aufgrund des Herstellungsprozesses und der darin angebrachten Öffnungen Materialspannungen aufweist, welche zu einer ungewollten Verformung der Antriebs- und Erfassungsmasse führen können. Durch diese Materialspannungen wird unter Umständen bewirkt, dass die Antriebs- und Erfassungsmasse nicht ausreichend eben ausgebildet ist. Sensorelemente, welche in der Regel durch ein entsprechendes Signal einen Abstand zwischen der Antriebs- und Erfassungsmasse und dem feststehendem Substrat ermitteln, können hierdurch ungenau werden. Die Ungenauigkeit ergibt sich dadurch, dass durch Wölbungen in der Antriebs- und Erfassungsmasse kein eindeutiges, auf einen bestimmten Abstand hinweisendes Signal erhalten wird.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, unabhängig von der Steifigkeit der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse sicherzustellen, dass die Antriebs- und/oder Erfassungsmasse zumindest im Bereich der abstandsmessenden Sensorelemente möglichst eben und unverformt sind.
- Die Aufgabe wird durch ein mikroelektromechanisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Ein erfindungsgemäßes mikroelektromechanisches System dient zur Erfassung von Beschleunigungen um oder entlang einer x-, y- und/oder z-Achse. Es weist ein Substrat und eine Antriebs- und eine Erfassungsmasse auf, die parallel zu dem Substrat in einer x-y-Ebene angeordnet sind. Die Antriebs- und Erfassungsmasse sind relativ zu dem Substrat bewegbar, insbesondere drehbar gelagert. Üblicherweise ist die Antriebsmasse mit einer vorbestimmten Frequenz mittels Elektroden angetrieben. Bei einer Auslenkung des Substrats um oder entlang einer x-, y- und/oder z-Achse wird je nach Anordnung, Bewegung und Lagerung der Antriebs- und der Erfassungsmasse aufgrund einer Corioliskraft ein Auslenken der Antriebs- und Erfassungsmasse bewirkt. Elektroden, welche an der Erfassungsmasse und an dem Substrat angeordnet sind, stellen die Auslenkung der Antriebs- und Erfassungsmasse fest, indem sich der Abstand der Elektroden der Sensorelemente verändert. Die Sensorelektroden sind üblicherweise einerseits feststehend mit dem Substrat verbunden und andererseits an der Erfassungsmasse angeordnet.
- Für eine genaue Feststellung des Abstands der Erfassungsmasse von dem Substrat bzw. des Abstands der beiden Sensorelemente voneinander ist es wesentlich, dass die Erfassungsmasse eine definierte Form aufweist. Ist die Erfassungsmasse aufgrund von Materialspannungen, welche beispielsweise im Laufe des Herstellungsprozesses verblieben sind oder durch Temperatureinflüsse hervorgerufen werden, zu Verformungen gekommen, so wird der Abstand der Erfassungsmasse von dem Substrat bzw. der beiden Sensorelektroden sowohl im neutralen Ausgangszustand als auch bei einer Auslenkung der Erfassungsmasse nicht genau festgestellt werden können.
- Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass zum Ausgleich von Verwerfungen aufgrund verbliebener Materialspannungen der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse zumindest ein Schlitz in der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse angeordnet ist. Durch den Schlitz werden die Materialspannungen der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse aufgelöst und die Antriebs- und Erfassungsmasse ist hierdurch im Wesentlichen eben und ohne Verwerfungen ausgerichtet. Der Schlitz wird entweder vorherbestimmt oder individuell in der Struktur angebracht um Verwerfungen auszugleichen.
- Die Anordnung des Schlitzes in der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse erfolgt dabei derart, dass entsprechende Verwerfungen gar nicht auftreten oder bestehende Verwerfungen behoben werden. Er kann abhängig von der Gestaltung der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse an einer vordefinierten Stelle oder auch unterschiedlich, je nach individuellem Erfordernis angebracht sein. Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch die eingebrachten Schlitze Materialspannungen der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse gelöst werden und sich damit Verwerfungen, welche hierdurch verursacht wurden, auflösen. Die Antriebs- und/oder Erfassungsmasse wird hierdurch deutlich ebener und unter Umständen auch weniger empfindlich gegen Temperatureinflüsse. Außerdem sind die Bewegungen der Antriebs- und Erfassungsmassen hierdurch gleichmäßiger in den vorgesehenen Richtungen ermöglicht. Durch die Schlitze können zwar neuerlich örtliche Verwerfungen ergeben, die so bearbeitete Antriebs- und/oder Erfassungsmasse wird aber als ganzes gesehen ebener.
- In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schlitz in x- und/oder in y-Richtung und/oder in x-y-Richtung ausgerichtet ist. Hierdurch wird die Herstellung des Schlitzes vereinfacht. Außerdem ist die Wirkung des Schlitzes besser vorhersehbar als bei beliebiger Ausrichtung der Schlitze. Bei Verwendung mehrerer Schlitze beeinflussen diese bei einer solchen Anordnung in vorhersehbarer Weise die Entspannung der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse.
- Sind vorteilhafterweise mehrere Schlitze auf der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse angebracht, so können sich diese auch überschneiden. Insbesondere sind kreuzförmig miteinander verbundene Schlitze vorteilhaft, da sie in besonders wirkungsvoller Weise Materialspannungen auflösen können. Die Schlitze können auch in mehreren Überkreuzungen auf der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse angeordnet sein.
- Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus, dass die Steifigkeit der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse durch die eingebrachten Schlitze nicht negativ beeinflusst wird. Die Schlitze dienen lediglich der Auflösung verbliebener Materialspannungen. Die Steifigkeit der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse, welche erforderlich ist, um die entsprechende Masse in vorbestimmter Art und Weise zu bewegen, wird hierdurch nicht oder zumindest nicht wesentlich verschlechtert.
- In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Schlitz in Richtung der z-Achse so tief, dass er durch die gesamte Antriebs- und/oder Erfassungsmasse hindurch reicht. In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann es aber auch vorteilhaft sein, dass der Schlitz nur eine Tiefe aufweist, welche teilweise der Dicke der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse entspricht. Dies kann in einigen Fällen bereits ausreichen um die Materialspannung aufzulösen.
- Üblicherweise sind in der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse eine Vielzahl von Löchern angeordnet. Diese Löcher sind vorteilhaft zur Herstellung der Antriebs- und Erfassungsmasse und reduzieren darüber hinaus das Gewicht der Antriebs- und Erfassungsmasse. Die Löcher können nahezu beliebige Formen aufweisen, wie zum Beispiel rund, quadratisch, rechteckig, oval oder mehreckig. Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft ausführbar, wenn einige der Löcher durch zumindest einen Schlitz miteinander verbunden sind. Spannungen, welche in den Stegen zwischen benachbarten Löchern vorhanden sind, werden durch Trennung dieser Stege gelöst. Die Steifigkeit der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse wird hierdurch nur unwesentlich oder gar nicht beeinflusst und wirkt sich daher nicht negativ bezüglich der Funktionsweise der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse aus.
- Vorteilhaft ist es, wenn der Schlitz eine Breite aufweist, die geringer ist als eine Seitenlänge der miteinander verbundenen Löcher. Sehr häufig ist es nämlich ausreichend, wenn lediglich der Steg zwischen benachbarten Löchern durchtrennt ist. Die Breite dieser Durchtrennung ist für die Entspannung üblicherweise nicht von Bedeutung. Durch den verbliebenen Rest des Steges zwischen zwei benachbarten Löchern ist ein gewisser Beitrag zur Steifigkeit und Gesamtmasse der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse weiterhin gegeben. Die Charakteristik des mikroelektromechanischen Systems wird hierdurch nur gering oder gar nicht beeinflusst.
- Insbesondere, wenn der Schlitz in x-y-Richtung ausgerichtet, ist es vorteilhaft, wenn er zwei Ecken benachbarter Löcher miteinander verbindet. Alternativ kann auch ein Schlitz die zwei Seitenlängen benachbarter Löcher durchtrennen. Wesentlich ist, dass die Materialspannung der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse durch das Einbringen des Schlitzes gelöst wird und die Antriebs- und/oder Erfassungsmasse hierdurch möglichst eben verläuft.
- Werden mehrere Schlitze in der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse angebracht, so kann es vorteilhaft sein, wenn in dem Bereich zwischen zwei benachbarten parallel verlaufenden Schlitzen mehrere ungeschlitzte Löcher angeordnet sind. Dies wirkt sich insbesondere auf die Steifigkeit der Antriebs- und Erfassungsmasse aus, welche hierdurch nicht wesentlich herabgesetzt wird.
- Die vorliegende Erfindung kann in mikroelektromechanischen Systemen eingesetzt werden, welche ein ein- oder mehrdimensionaler Drehratensensor und/oder Beschleunigungssensor ist. Wesentlich ist, dass durch die Anbringung der erfindungsgemäßen Schlitze in der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse Verwerfungen, beispielsweise Wellen oder Torsionen aufgrund von Materialspannungen ausgeglichen werden und die Antriebs- und/oder Erfassungsmasse nach Anbringung der Schlitze weitgehend eben verläuft, auch wenn einzelne lokale Verwerfungen weiterhin bestehen können.
- Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt
-
1 eine perspektivische Ansicht einer Antriebs- und Erfassungsmasse mit mehreren Schlitzen, -
2 einen Ausschnitt aus der1 in vergrößerter Darstellung, -
3 ein weiterer vergrößerter Ausschnitt aus der2 in perspektivischer Darstellung, -
4 eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung und -
5 eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung. - In
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Antriebs- und Erfassungsmasse1 eines mikroelektromechanischen Systems dargestellt. Die Antriebs- und Erfassungsmasse1 dient beispielsweise der Erfassung von Beschleunigungen, wobei sich die Antriebs- und Erfassungsmasse1 um eine Drehachse dreht. Antriebs- und Erfassungsmasse1 sind hier als eine einzige, gemeinsame Masse dargestellt. Es ist die Erfindung aber natürlich auch für getrennte Massen vorteilhaft, bei denen jede Masse nur ihre Aufgabe erfüllt, also die Antriebsmasse das System antreibt und bei einer Beschleunigung des Systems auf Grund einer Corioliskraft ausgelenkt wird und die Erfassungsmasse, welche zusammen mit der Antriebsmasse in diesem Fall ausgelenkt wird und zur Ermittlung der Größe der Auslenkung bzw. Beschleunigung dient. Auch die Form der Antriebs- und Erfassungsmasse1 kann selbstverständlich anders ausgebildet sein. - Die Drehachse ist durch eine Torsionsfeder
2 gebildet, welche die Antriebs- und Erfassungsmasse1 an einem Anker3 drehbar befestigt. Der Anker3 ist nur grob dargestellt. Er kann verschieden ausgeführt sein. So kann ein einzelner Anker oder auch mehrere Anker vorgesehen sein. Antriebs- und Erfassungsmasse1 kann sich um einen zentralen Anker drehen, linear bewegt werden oder radial zu einer Befestigung oszillieren. - Der Anker
3 ist auf einem nicht dargestelltem Substrat befestigt. Ist Antriebs- und Erfassungsmasse1 , wie hier dargestellt, Teil eines z-Beschleunigungssensors, so wird bei einer Beschleunigung in z-Richtung, d. h. senkrecht zu der Antriebs- und Erfassungsmasse1 bzw. dem Substrat die Antriebs- und Erfassungsmasse1 um die Drehachse gekippt. Hierdurch wird der Abstand zwischen der Antriebs- und Erfassungsmasse1 im Bezug auf das darunter liegende Substrat verändert. Nicht dargestellte Elektroden, welche sich zwischen der Antriebs- und Erfassungsmasse1 und dem Substrat befinden, können durch eine Veränderung eines elektrischen Signals diese Abstandsänderung erfassen und an eine Auswerteeinheit weitergeben. - Die Antriebs- und Erfassungsmasse
1 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit einer Vielzahl von Löchern4 versehen. Die Löcher4 weisen in diesem Ausführungsbeispiel einen quadratischen Querschnitt auf und ragen durch die gesamte Antriebs- und Erfassungsmasse1 hindurch. Sie perforieren sozusagen die Antriebs- und Erfassungsmasse1 . Durch die Löcher4 ist die Herstellung des Sensors, beispielsweise mit einem Ätzverfahren relativ einfach möglich. - Unter anderem durch die Herstellung oder auch durch die Gestaltung der Antriebs- und Erfassungsmasse
1 ist es möglich, dass Materialspannungen in der Antriebs- und Erfassungsmasse1 vorhanden sind, welche eine Verwerfung oder Wölbung der Antriebs- und Erfassungsmasse1 bewirken. Dies führt zu einem ungleichmäßigen Abstand gegenüber dem Substrat und damit einer ungenauen Messung sowohl des Ausgangssignals im unbeschleunigten Zustand des Sensors als auch des veränderten Signals im Falle seiner Beschleunigung. - Um diese Verwerfung zu beseitigen ist die dargestellte Antriebs- und Erfassungsmasse
1 mit einer Vielzahl von Schlitzen5 versehen. Die Schlitze5 reichen entweder auch durch die gesamte Antriebs- und Erfassungsmasse1 in z-Richtung hindurch oder befinden sich lediglich oberflächlich mit einer Tiefe, welche nur einer Teildicke der Antriebs- und Erfassungsmasse1 entspricht. Die Schlitze5 sind in x- und in y-Richtung ausgerichtet und verlaufen entlang der Reihen mehrerer Löcher4 . Sie sind derart ausgeführt, dass sie Stege, welche zwischen den Löchern4 angeordnet sind, durchtrennen und somit Materialspannungen der Antriebs- und Erfassungsmasse1 auflösen. Auch wenn es durch die Schlitze5 möglich ist, dass kleinere lokale Verwerfungen entstehen, so ist dennoch die Antriebs- und Erfassungsmasse1 im Großen und Ganzen hierdurch geradliniger ausgebildet. Die Auswertung der Signale der an der Unterseite der Antriebs- und Erfassungsmasse1 angeordneten Elektroden sowie der gegenüberliegenden, an dem Substrat befestigten Elektroden wird hierdurch wesentlich genauer. Die Schlitze5 sind bei diesem Ausführungsbeispiel gleichmäßig über die Antriebs- und Erfassungsmasse1 verteilt. Es ist allerdings auch möglich, dass sie lediglich lokal angeordnet sind um dortige Verspannungen aufzulösen. Die Schlitze5 sind kreuzförmig angeordnet, wobei einzelne der Kreuze auch miteinander verbunden sind, so dass Doppelkreuze bzw. H-förmige Schlitze entstehen. - In
2 ist ein Ausschnitt aus der1 dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, dass eine Vielzahl von Löchern4 in Reihen gleichmäßigen verteilt über die Oberfläche der Antriebs- und Erfassungsmasse1 angeordnet sind. Die Schlitze5 sind derart verteilt, dass sie einzelne, benachbarte Löcher4 miteinander verbinden. Hierdurch entstehen in diesem Ausführungsbeispiel kreuzförmige Schlitze5 . Die Breite der Schlitze5 kann unterschiedlich ausgeführt sein. Jedenfalls soll sichergestellt sein, dass die Schlitze5 eine Breite aufweisen, dass sich das verbleibende Material beidseits des Schlitzes5 bei einer Bewegung der Antriebs- und Erfassungsmasse1 nicht mehr berühren um Verhakungen oder Reibungen zu vermeiden, welche zu Fehlern im Messergebnis führen könnten. Insgesamt sollen die Schlitze5 derart über die Oberfläche der Antriebs- und Erfassungsmasse1 verteilt sein, dass die Steifigkeit der Antriebs- und Erfassungsmasse1 nicht oder nicht wesentlich beeinflusst wird. Sie sind lediglich dafür vorgesehen, dass die Materialspannungen, welche bei der Herstellung oder durch eine Temperaturbeeinflussung des Sensors entstehen, vermieden bzw. beseitigt werden. - In
3 ist eine weitere vergrößerte Darstellung der2 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Es ist daraus ersichtlich, dass die Schlitze5 benachbarte Löcher4 miteinander verbinden, indem die Seiten der Löcher4 teilweise durchtrennt sind. Die Schlitze5 weisen eine Breite auf, welche geringer als die Seitenlänge des Loches4 ist. Es sind mehrere Schlitze5 gekreuzt zueinander angeordnet, wobei die Querbalken von zwei benachbarten Kreuzen übereinstimmen. - In
4 sind weitere Ausführungsbeispiele dargestellt, wie die Schlitze5 auf der Oberfläche der Antriebs- und Erfassungsmasse1 angeordnet sein können. Es ist hieraus ersichtlich, dass sie die Löcher4 beispielsweise über ihre Spitzen verbinden, dass sie mehr oder weniger dick ausgeführt sind, dass sie auch einander nicht kreuzend angeordnet sein können oder auch gabelförmige oder stufenförmige Ausgestaltungen haben können. Außerdem ist es möglich einen Schlitz5 derart anzuordnen, dass der komplette Steg zwischen zwei benachbarten Reihen der Löcher4 entfernt wird. Selbstverständlich sind die hier dargestellten Varianten der Schlitze nicht abschließend aufgeführt. - In
5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Hierbei weist die Antriebs- und Erfassungsmasse1 keine Löcher4 auf, sondern ist vollflächig ausgeführt. Dennoch befinden sich innerhalb der Projektionsfläche der Antriebs- und Erfassungsmasse1 verschiedene Schlitze5 , welche hier beispielhaft und nicht abschließend dargestellt sind. Es ist daraus ersichtlich, dass auch mehrere parallel zueinander verlaufende Schlitze5 einander kreuzen können. Andererseits sind auch Schlitze5 einsetzbar, welche in einem spitzen Winkel zur x- bzw. y-Achse verlaufen. Die Absicht jedes dieser Schlitze5 ist es, Materialspannungen zu lösen und insgesamt die Antriebs- und Erfassungsmasse1 innerhalb der x-y-Ebene möglichst geradlinig und spannungsfrei verlaufen zu lassen. - Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Es sind auch andere Formen von Löcher
4 und Schlitzen5 möglich. Außerdem sind auch die Antriebs- und Erfassungsmassen anders als hier dargestellt ausführbar. Die Tiefe der Schlitze5 ist variierbar, wobei sie lediglich teilweise in die Tiefe der Antriebs- und Erfassungsmasse1 hineinragen oder auch die Antriebs- und Erfassungsmasse1 komplett durchtrennen können. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Antriebs- und Erfassungsmasse
- 2
- Torsionsfeder
- 3
- Anker
- 4
- Loch
- 5
- Schlitz
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/079188 A1 [0002]
Claims (9)
- Mikroelektromechanisches System zur Erfassung von Beschleunigungen um oder entlang einer x-, y- und/oder z-Achse, mit einem Substrat, mit einer Antriebs- und einer Erfassungsmasse (
1 ), die parallel zu dem Substrat in einer x-y-Ebene angeordnet und relativ zu dem Substrat bewegbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich von Verwerfungen auf Grund verbliebener Materialspannungen der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse (1 ) zumindest ein Schlitz (5 ) in der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse (1 ) angeordnet ist. - Mikroelektromechanisches System nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (
5 ) in x- und/oder in y-Richtung und/oder in x-y-Richtung ausgerichtet ist. - Mikroelektromechanisches System nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schlitze (
5 ) kreuzförmig miteinander verbunden sind. - Mikroelektromechanisches System nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (
5 ) in Richtung der z-Achse eine Tiefe aufweist, die ganz und/oder teilweise der Dicke der Antriebs- und/oder Erfassungsmasse (1 ) entspricht. - Mikroelektromechanisches System nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebs- und/oder Erfassungsmasse (
1 ) eine Vielzahl von Löchern (4 ) aufweist, und einige der Löcher (4 ) durch zumindest einen Schlitz (5 ) miteinander verbunden sind. - Mikroelektromechanisches System nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (
5 ) eine Breite aufweist, die geringer ist als eine Seitenlänge der miteinander verbundenen Löcher (4 ). - Mikroelektromechanisches System nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (
5 ) zwei Seiten oder zwei Ecken benachbarter Löcher (4 ) miteinander verbindet. - Mikroelektromechanisches System nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich zwischen zwei benachbarten, parallel verlaufenden Schlitzen (
5 ) mehrere ungeschlitzte Löcher (4 ) angeordnet sind. - Mikroelektromechanisches System nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroelektromechanische System ein ein- oder mehrdimensionaler Drehratensensor und/oder Beschleunigungssensor ist.
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