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Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Beschleunigungssensor mit einer Sensormasse, die auf einem Substrat mittels wenigstens einem Anker und einer Feder angeordnet ist, wobei die Feder die Sensormasse mit dem Anker verbindet und die Sensormasse in einer x-y-Ebene parallel zu dem Substrat beweglich ist und mit wenigstens einem Stopper, der auf dem Substrat angeordnet ist um die Bewegung der Sensormasse zu stoppen und wobei der Stopper und die Sensormasse einen Kontaktbereich aufweisen, an dem sie sich berühren, wenn die Sensormasse gestoppt wird.
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Aus der
US 2002/0112538 A1 ist eine mikromechanische Komponente für einen MEMS-Beschleunigungssensor bekannt, welche eine seismische Masse bzw. Sensormasse aufweist, welche in einer Ebene auslenkbar ist. Die Sensormasse ist parallel zu einem Substrat angeordnet und mit diesem über Federn und Anker beweglich verbunden. Um zu vermeiden, dass die Sensormasse oder die Federn unerwünschte Kontakte bei einer Auslenkung der Sensormasse haben, sind Stopper vorgesehen. Diese Stopper vermeiden das sogenannte „sticking“. Dabei können sich bei einer zu starken Auslenkung, welche beispielsweise durch Stöße oder Überlast bewirkt werden kann, beispielsweise Teile der Federn unzulässig berühren und dabei aneinander kleben bleiben oder sogar beschädigt werden. Dies führt zu einer fehlerhaften Erfassung der Bewegung der Sensormasse oder sogar zu einer Beschädigung oder Zerstörung des kompletten Sensors. Nachteilig bei dieser Ausführung ist es allerdings, dass bei einer Kontaktierung der Stopper ebenfalls der „sticking“-Effekt auftreten kann oder es zu Beschädigungen führen kann. Bereits bei einer Kontaktierung der Federn mit dem Stopper kann es zu einem Anhaften kommen, welches wiederum zu einer fehlerhaften Messung führt. Diese Anhaftung geschieht z. B. dadurch, dass die Rückstellkraft der Feder nicht stark genug ist um das Anhaften der Feder an dem Stopper zu vermeiden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit eine Einrichtung zu schaffen, mit welcher ein MEMS-Beschleunigungssensor vor dem „sticking“-Effekt und einer Beschädigung bewahrt wird.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem MEMS-Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Der erfindungsgemäße MEMS-Beschleunigungssensor weist eine Sensormasse auf, die auf einem Substrat mittels wenigstens einem Anker und einer Feder angeordnet ist. Der Anker ist auf dem Substrat befestigt. Die Feder verbindet die Sensormasse mit dem Anker, wodurch die Sensormasse in einer x-y-Ebene parallel zu dem Substrat beweglich gelagert ist. Die Sensormasse kann sich dabei entlang beispielsweise einer y-Achse linear bewegen. Selbstverständlich sind auch Bewegungen in anderen Richtungen möglich. Die Bezeichnung der y-Achse hierfür ist lediglich zur einfacheren Erläuterung gewählt. das entsprechende Koordinatensystem kann auch anders festgelegt werden.
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Der MEMS-Beschleunigungssensor weist wenigstens einen Stopper auf, der auf dem Substrat angeordnet ist um die Bewegung der Sensormasse zu stoppen. Dieser Stop ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Sensormasse zu stark ausgelenkt wird. Dies geschieht beispielsweise wenn der Sensor Stößen ausgesetzt ist oder die Beschleunigung zu stark ist, wodurch die Sensormasse über die vorgesehene Strecke hinaus bewegt werden würde. Durch den Stopper wird vermieden, dass in diesem Fall die Sensormasse und/oder die Feder beschädigt wird. Außerdem vermeidet der Stopper ein Anhaften einzelner Elemente der Federn und/oder der Sensormasse an anderen Elementen des Beschleunigungssensors, wodurch fehlerhafte Messungen entstehen.
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Der Stopper und die Sensormassen weisen einen Kotaktbereich auf, an dem sie sich berühren, wenn die Sensormasse gestoppt wird. Der Stopper kann alternativ auch mit der Feder bzw. Teilen der Feder zusammenwirken, welche ebenfalls eine definierte Kontaktstelle bilden. Erfindungsgemäß soll bei der Kontaktierung des Stoppers ein Drehmoment auf die Sensormasse erzeugt werden, welches eine Verdrehung der Sensormasse bewirkt und somit zusätzliche Kräfte freisetzt, welche ein Anhaften der Sensormasse oder der Feder an dem Stopper vermeidet. Hierzu ist der wenigstens eine Kontaktbereich in einem Abstand von der y-Achse angeordnet. Im Falle eines zweiten Kontaktbereiches für dieselbe Bewegungsrichtung ist der Abstand dieses zweiten Kontaktbereiches von der x-Achse unterschiedlich zu diesem Abstand des ersten Kontaktbereiches. Hierdurch wird bei der Kontaktierung des bzw. der Stopper ein Drehmoment auf die Sensormasse ausgeübt, das eine Drehung der Sensormasse in der x-y-Ebene bewirkt. Durch diese Verdrehung der Sensormasse wird die Sensormasse nicht nur in der vorgesehenen y-Richtung bewegt, sondern zusätzlich in einer x-Richtung. Diese zusätzliche Bewegungsrichtung unterstützt ein Loslösen der Sensormasse bzw. der Feder von dem Stopper und vermeidet zuverlässig ein Anhaften. Die Messgenauigkeit des Beschleunigungssensors wird hierdurch auch nicht beeinträchtigt, da die Kontaktierung außerhalb des Messbereichs des MEMS-Beschleunigungssensors liegt. Andere als die für die Messung vorgesehene Bewegungen der Sensormasse haben hierdurch keinen Einfluss auf eine ordnungsgemäße Messung der Bewegung im vorgesehenen Messbereich.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der bzw. die Kontaktbereich/e und der/die Anker in Bewegungsrichtung der Sensormasse nicht miteinander fluchten. Hierdurch wird das Drehmoment und ein Rückstellmoment bei der Kontaktierung des/der Stopper/s erzeugt. Bei einer extremen Auslenkung der Sensormasse wird hierdurch zuerst ein Kontakt mit dem Stopper erfolgen und anschließend wird sich die Sensormasse aus der ursprünglichen Bewegungsrichtung heraus um den Stopper herum in einer weiteren, beispielsweise der x-Richtung bewegen. Durch diese durch das Drehmoment eingeleitete Drehung der Sensormasse wird die Rückbewegung der Sensormasse in ihren Ausgangspunkt bzw. in den vorgesehenen Bewegungsbereich ohne Kontaktierung des Stoppers unterstützt. Die Rückstellkraft wirkt hierdurch stärker als wenn der Stopper eine Bewegung der Sensormasse aus ihrer ursprünglichen Bewegungsrichtung heraus vermeiden würde.
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In einer vorteilhaften Ausführung des MEMS-Beschleunigungssensors ist für jede Bewegungsrichtung wenigstens ein Stopper und ein Kontaktbereich vorgesehen. Damit ist zumindest für die Bewegung der Sensormasse in (+y)-Richtung als auch in (–y)-Richtung ein Anschlag geschaffen, welcher im Falle einer Kontaktierung ein Verdrehen der Sensormasse bewirkt und somit die „sticking“-Neigung deutlich reduziert oder sogar ganz vermeidet.
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Um zu vermeiden, dass die Sensormasse beim Auftreten einer Drehbewegung durch den Anschlag in y-Bewegungsrichtung oder durch äußere Stöße, welche auf den Sensor einwirken, beschädigt wird, ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein weiterer Stopper zur Begrenzung der Bewegung der Sensormasse in x-Richtung vorgesehen ist. Diese Stopper können ebenso zueinander versetzt sein, wie die Stopper, welche die Bewegung in y-Richtung begrenzen. Es ist allerdings auch möglich, dass diese Stopper in herkömmlicher Art und Weise gleichwirkend vorgesehen sind.
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Weisen die Stopper jeweils einer Bewegungsrichtung der Sensormasse einen unterschiedlichen Abstand zur x- bzw. y-Achse auf, so erzeugt der Stopper, an welchen die Sensormasse zuerst anstößt, ein Drehmoment auf die Sensormasse, wodurch sich die Sensormasse aus ihrer zuerst linearen in eine nun verdrehte Bewegung verändert. Um eine übermäßige Beanspruchung der Federn oder der Sensormasse zu vermeiden, ist ein weiterer Stopper vorgesehen, der vorzugsweise auf der anderen Seite der Achse, entlang der sich die Sensormasse bewegt, befindet. Dieser weitere Stopper bildet einen weiteren Anschlag für die gedrehte Sensormasse, so dass eine Beschädigung der Bauteile des Sensors vermieden wird.
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Besonders wirkungsvoll sind die Stopper, wenn sie im Bereich von Ecken der Sensormasse auf dem Substrat angeordnet sind. Hierbei sind die Hebelarme, welche für das Drehmoment auf die Sensormasse einwirken am größten und damit ist die erfindungsgemäße Begrenzung der Extrembewegung der Sensormasse auch am wirkungsvollsten zu erreichen.
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Um die „sticking“-Neigung besonders wirkungsvoll auch bei der Ausgestaltung nach der vorliegenden Erfindung vermeiden zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Kontaktbereich im wesentlichen punktförmig ausgebildet ist. Dadurch gibt es nahezu keine Fläche, an welcher sich die bewegten Bauteile Sensormasse oder Feder „ansaugen“ könnten, da keine Flächen sondern nur Punkte aufeinander stoßen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn im vorgesehenen Kontaktbereich an der Sensormasse zumindest eine Erhebung angeordnet ist. Ein gegebenenfalls auftretender Schlag auf die Sensormasse bei einer Kontaktierung mit dem Stopper wird auf diese Weise an einer definierten, dafür vorgesehenen Stelle auf die Sensormasse übertragen. Eine Beschädigung kann hierdurch ausgeschlossen werden. Wird lediglich eine einzige Erhebung pro Kontaktierung vorgesehen, so wird ein wesentlicher Vorteil dahingehend erhalten, dass die Sensormasse nicht in ihrer Drehbewegung eingeschränkt wird. Die Erhebung dient dabei als Drehstelle der Sensormasse. Eine harmonische, gleichbleibende Bewegung der Sensormasse auf Grund des Drehmomentes wird damit erzeugt. Auch hierdurch wird einer Beschädigung vorgebeugt und zudem eine schnelle Beruhigung der an sich nicht gewollten Drehbewegung, die von der gewünschten linearen Bewegung abweicht, bewirkt. Die Sensormasse ist schnell nach der Drehbewegung wieder auf die lineare Bewegung eingestellt.
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Ist die Feder für eine Bewegung in y-Richtung weicher als für eine Bewegung in x-Richtung ausgelegt, so ist die Hauptbewegungsrichtung die bevorzugte Bewegungsrichtung der Sensormasse. Erst bei Auftreten eines Schockzustandes wird die Sensormasse auch in x-Richtung ausgelenkt. Die normale Bewegungsrichtung in y-Richtung ist damit die bevorzugte Richtung, welche auch nach einem Schockzustand wieder eingenommen wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Sensormasse mit dem Substrat mit einem, vorzugsweise zwei Ankern und einer, vorzugsweise zwei Federn an jedem Ende der Sensormasse verbunden ist. Hierdurch wird eine besonders stabile Bewegung der Sensormasse in der Hauptbewegungsrichtung erreicht. Auch bei Auslenken im Falle eines Schockzustandes wird dies gleichmäßig erreicht und der Ausgangszustand kann sehr schnell wieder eingenommen werden.
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Sind der Sensormasse und/oder dem Substrat Sensorelemente zugeordnet, so kann die Auslenkung der Sensormasse sehr einfach erfasst werden. Die Sensorelemente sind üblicherweise kapazitiver Art, durch welche eine Abstandsänderung mit elektrischen Signalen erfasst wird.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind in nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
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1 einen MEMS-Beschleunigungssensor in Ruhestellung und
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2 den MEMS-Beschleunigungssensor aus 1 bei Anschlag an einen Stopper.
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In 1 ist ein MEMS-Beschleunigungssensor 1 in Draufsicht skizziert. Eine Sensormasse 2 ist parallel zu einem nicht dargestellten, unter der Sensormasse 2 liegenden Substrat angeordnet. Die Sensormasse 2 ist mittels Federn 3 an Ankern 4 mit dem Substrat verbunden. Die Federn 3 sind mäanderförmig ausgebildet und erlauben eine Bewegung der Sensormasse 2 im Wesentlichen in y-Richtung. In dieser Bewegungsrichtung B haben sie eine relativ geringe Federsteifigkeit, wodurch die Beweglichkeit der Sensormasse 2 in dieser Richtung bevorzugt ist. Die Federsteifigkeit der Feder 3 in x-Richtung ist hingegen höher, so dass eine Auslenkung in dieser Richtung lediglich im Extremfall, das heißt bei beispielsweise Stoßeinwirkung auf den Sensor 1 erfolgt. Insgesamt sind vier Federn 3 und Anker 4 vorgesehen, zwei davon an jedem Ende der Sensormasse 2. Hierdurch wird eine stabile Bewegung in Bewegungsrichtung B erzielt.
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Im mittleren Bereich der Sensormasse 2 sind auf jeder Seite drei Elektroden 5 angeordnet. Die Elektroden 5 wirken mit Elektroden 6 zusammen, welche zur Erfassung von Bewegungen der Sensormasse 2 in Bewegungsrichtung B dienen. Die Elektroden 6 sind auf dem Substrat fest angeordnet. Abstandsänderungen der beweglichen Elektroden 5 von den stationären Elektroden 6 bewirken eine Änderung eines elektrischen Signals, woraus Rückschlüsse auf die Bewegung der Sensormasse 2 und die verursachende Beschleunigung erhalten werden können.
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Im Bereich der Ecken der Sensormasse 2 sind auf dem Substrat Stopper 7 angeordnet. Die Stopper 7 sind L-förmig ausgebildet, so dass sie einen Anschlag für die Sensormasse 2 sowohl in Bewegungsrichtung B in y-Richtung als auch in x-Richtung bilden. Damit wird eine Führung der Sensormasse 2 auch im Falle des Verdrehens der Sensormasse 2 aus der linearen Bewegung entlang der y-Achse erreicht. Die Sensormasse 2 und die Federn 3 sind hierdurch besser vor Beschädigung geschützt. Im selben Bereich sind an den Ecken der Sensormasse 2 Erhebungen 8 angeordnet. Die Erhebungen 8 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel halbkugelförmig und bilden damit einen punktförmigen Kontaktbereich mit dem zugehörigen Stopper 7.
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Bei normaler Bewegung der Sensormasse 2 in Bewegungsrichtung B in y-Richtung findet keine Berührung zwischen den Stoppern 7 und den Erhebungen 8 statt. Lediglich bei einer Beschleunigung, welche größer als die vorgesehene maximale Beschleunigung ist oder bei Schockzuständen durch äußere Einflüsse auf den MEMS-Beschleunigungssensor 1 kann es vorkommen, dass die Erhebungen 8 an dem Stopper 7 anschlagen.
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In 2 ist eine Situation des MEMS-Beschleunigungssensors 1 aus 1 dargestellt, welche einen Anschlag der Sensormasse 2 an dem links oben dargestellten Stopper 7 zeigt. Die Sensormasse 2 ist maximal in (+)-y-Richtung ausgelenkt und schlägt somit mit der linken oberen Erhebung 8 an deren zugeordneten Stopper 7 an. Hierdurch entsteht ein Drehmoment auf die Sensormasse 2, welche bewirkt, dass die Sensormasse 2 aus ihrer Bewegungsrichtung B um einen Winkel α herausschwingt, bis sie mit der entsprechenden Erhebung 8 an zumindest einem der auf der gegenüberliegenden Seite der y-Achse liegenden Stopper 7 anschlägt. Die Federn 3 werden hierdurch ungleichmäßig ausgelenkt. Die links von der y-Achse befindlichen Federn 3 werden dabei weniger komprimiert bzw. gedehnt als die rechts von der y-Achse dargestellten Federn 3.
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Durch das auftretende Drehmoment und die unterschiedliche Kompression bzw. Dehnung der Federn 3 entsteht eine zusätzliche Kraft, welche dafür sorgt, dass die Sensormasse 2 wieder in ihre Ausgangsposition gelangt und Bewegungen in der vorgesehenen Bewegungsrichtung B durchführen kann. Die Erhebungen 8, welche auf der rechten Seite der y-Achse angeordnet sind, haben dabei rechts oben und/oder rechts seitlich Kontakt mit den zugehörigen Stoppern 7. Durch die zusätzliche Kraft wird verhindert, dass in den Kontaktbereichen der Stopper 7 und Erhebungen 8 ein Anhaften der Sensormasse 2 an den Stoppern 7 zuverlässig verhindert wird. Außerdem werden die auftretenden Kräfte an einer definierten Stelle in die Sensormasse eingeleitet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass die Erhebungen 8 an der Sensormasse 2 und nicht an den Stoppern 7 angeordnet sind, da hierdurch die Sensormasse 2 besser geschützt wird. Die zusätzlich auftretende Kraft durch eine Verdrehung der Sensormasse 2 um die aus der Zeichenebene herausragende z-Achse bewirkt eine Kraftkomponente in x-Richtung, welche zusätzlich zu der Kraftkomponente in y-Richtung wirkt. Hierdurch wird eine Zurückbewegung der Sensormasse 2 in ihre Ausgangsposition unterstützt.
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Die vorliegenden Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist die Art der Sensormasse 2 anders als hier dargestellt ausführbar. Die Erfindung ist nicht auf derartige Beschleunigungssensoren alleine beschränkt. Sie ist auch anwendbar auf andere MEMS-Beschleunigungssensoren, sei es für Beschleunigungen von Linear-Beschleunigungen oder Dreh-Beschleunigungen, jedenfalls überall dort, wo eine „sticking“-Neigung festgestellt werden kann und durch einen einseitigen Anschlag ein Drehmoment erzeugt wird, welches für eine aktive Rückbewegung der Sensormasse in ihre Ausgangslage eine zusätzliche Kraft zur Verfügung stellt. Auch müssen die Kontaktbereiche nicht (nur) zwischen Sensormasse und Stopper vorhanden sein, sondern können auch an den Federn vorgesehen sein, die mit einem Stopper zusammenwirken. Der Stopper muss nicht zwangsläufig an dem Substrat befestigt sein, sondern er kann auch an einem Teil der Feder vorgesehen sein und dadurch das Drehmoment erzeugen. Besonders vorteilhaft ist es allerdings schon, wenn die Stopper stationär auf dem Substrat angeordnet sind. Ebenso ist nicht die dargestellte Art der Stopper oder der Erhebungen maßgebend für die Erfindung, sondern allein die Art, wie der MEMS-Beschleunigungssensor in Anspruch 1 beschrieben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- MEMS-Beschleunigungssensor
- 2
- Sensormasse
- 3
- Federn
- 4
- Anker
- 5
- Elektrode
- 6
- Elektrode
- 7
- Stopper
- 8
- Erhebungen
- B
- Bewegungsrichtung
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2002/0112538 A1 [0002]
