DE102012104601A1 - Microelectromechanical system acceleration sensor e.g. linear acceleration sensor, has stoppers, where distance of contact region from x-axis is different from distance of another region such that torque acts on sensor mass - Google Patents
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Abstract
Description
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. The present invention relates to a MEMS acceleration sensor with a sensor mass, which is arranged on a substrate by means of at least one armature and a spring, wherein the spring connects the sensor mass to the armature and the sensor mass is movable in an xy plane parallel to the substrate and with at least one stopper disposed on the substrate to stop the movement of the sensor mass, and wherein the stopper and the sensor mass have a contact area where they touch when the sensor mass is stopped.
Aus der
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. It is therefore an object of the present invention to provide a device with which a MEMS acceleration sensor is prevented from the "sticking" effect and damage.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem MEMS-Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Anspruches 1. The object is achieved with a MEMS acceleration sensor having the features of claim 1.
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. The MEMS acceleration sensor according to the invention has a sensor mass, which is arranged on a substrate by means of at least one armature and a spring. The anchor is attached to the substrate. The spring connects the sensor mass to the armature, whereby the sensor mass is movably mounted in an x-y plane parallel to the substrate. The sensor mass can move linearly along, for example, a y-axis. Of course, movements in other directions are possible. The name of the y-axis for this purpose is chosen only for ease of explanation. The corresponding coordinate system can also be defined differently.
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. The MEMS acceleration sensor has at least one stopper disposed on the substrate to stop the movement of the sensor mass. This stop is particularly necessary if the sensor mass is deflected too much. This happens, for example, when the sensor is exposed to shocks or the acceleration is too strong, whereby the sensor mass would be moved beyond the intended distance. The stopper prevents the sensor mass and / or the spring from being damaged in this case. In addition, the stopper prevents adhesion of individual elements of the springs and / or the sensor mass to other elements of the acceleration sensor, whereby erroneous measurements.
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. The stopper and the sensor masses have a Kotaktbereich where they touch when the sensor mass is stopped. The stopper may alternatively cooperate with the spring or parts of the spring, which also form a defined contact point. According to the invention, a torque is to be generated on the sensor mass when contacting the stopper, which causes a rotation of the sensor mass and thus releases additional forces, which avoids sticking of the sensor mass or the spring to the stopper. For this purpose, the at least one contact region is arranged at a distance from the y-axis. In the case of a second contact region for the same direction of movement, the distance of this second contact region from the x-axis is different from this distance of the first contact region. As a result, a torque is exerted on the sensor mass during the contacting of the stopper, which causes a rotation of the sensor mass in the x-y plane. As a result of this rotation of the sensor mass, the sensor mass is moved not only in the intended y direction, but additionally in an x direction. This additional direction of movement supports a detachment of the sensor mass or the spring from the stopper and reliably prevents sticking. The measurement accuracy of the acceleration sensor is thereby not affected, since the contact is outside the measuring range of the MEMS acceleration sensor. Other than intended for the measurement movements of the sensor mass thereby have no effect on a proper measurement of movement in the intended measuring range.
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. It is particularly advantageous if the contact area (s) and / or the armature (s) are not aligned with one another in the direction of movement of the sensor mass. As a result, the torque and a restoring torque is generated during the contacting of the stopper / s. In the case of an extreme deflection of the sensor mass, contact with the stopper will be effected first, and then the sensor mass will move out of the original direction of movement around the stopper in another direction, for example the x direction. By this torque introduced by the rotation of the sensor mass, the return movement of the sensor mass is supported in its starting point or in the intended range of motion without contacting the stopper. The restoring force hereby acts more strongly than if the stopper would avoid a movement of the sensor mass out of its original direction of movement.
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. In an advantageous embodiment of the MEMS acceleration sensor, at least one stopper and one contact area are provided for each direction of movement. Thus, a stop is created at least for the movement of the sensor mass in (+ y) direction and in (-y) direction, which causes a twisting of the sensor mass in the case of contacting and thus significantly reduces the "sticking" inclination or even completely avoided.
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. In order to avoid that the sensor mass is damaged in the event of a rotational movement through the stop in the y-direction or by external shocks which act on the sensor, it is advantageous if at least one further stopper for limiting the movement of the sensor mass in x-direction. Direction is provided. These stoppers may also be offset from each other as the stoppers which limit the movement in the y-direction. However, it is also possible that these stoppers are provided with the same effect in a conventional manner.
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. If the stoppers each have a different direction of movement of the sensor mass at a different distance from the x or y axis, the stopper, at which the sensor mass first abuts, generates a torque on the sensor mass, as a result of which the sensor mass changes from its first linear into one changed twisted movement. To avoid excessive stress on the springs or sensor mass, another stopper is provided, preferably located on the other side of the axis along which the sensor mass moves. This further stopper forms a further stop for the rotated sensor mass, so that damage to the components of the sensor is avoided.
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. The stoppers are particularly effective if they are arranged in the area of corners of the sensor mass on the substrate. Here are the lever arms, which act on the torque to the sensor mass greatest, and thus the inventive limitation of the extreme movement of the sensor mass is also most effective to achieve.
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. In order to be able to avoid the "sticking" inclination particularly effectively also in the embodiment according to the present invention, it is advantageous if the contact region is substantially point-shaped. As a result, there is almost no surface on which the moving components sensor mass or spring could "suck in" because no surfaces but only points abut each other.
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. It is particularly advantageous if at least one elevation is arranged in the intended contact region on the sensor mass. An optionally occurring impact on the sensor mass in a contact with the stopper is transmitted in this way at a defined, designated place on the sensor mass. Damage can be excluded. If only a single survey per contact is provided, a significant advantage is obtained in that the sensor mass is not limited in its rotational movement. The survey serves as a pivot point of the sensor mass. A harmonic, constant movement of the sensor mass due to the torque is thus generated. This also prevents damage and also causes a rapid calming of the unwanted rotational movement which deviates from the desired linear movement. The sensor mass is set back to the linear movement quickly after the rotational movement.
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. If the spring is softer for movement in the y-direction than for movement in the x-direction, the main direction of movement is the preferred direction of movement of the sensor mass. Only when a shock condition occurs, the sensor mass is deflected in the x direction. The normal direction of movement in the y-direction is thus the preferred direction, which is assumed even after a shock condition.
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. It when the sensor mass is connected to the substrate with one, preferably two anchors and one, preferably two springs at each end of the sensor mass is particularly advantageous. As a result, a particularly stable movement of the sensor mass in the main movement direction is achieved. Even when deflected in the event of shock, this is achieved evenly and the Initial state can be resumed very quickly.
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. If sensor elements and / or the substrate are assigned sensor elements, the deflection of the sensor mass can be detected very easily. The sensor elements are usually capacitive type, by which a change in distance is detected with electrical signals.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt: Further advantages of the invention are described in the following exemplary embodiments. It shows:
In
Im mittleren Bereich der Sensormasse
Im Bereich der Ecken der Sensormasse
Bei normaler Bewegung der Sensormasse
In
Durch das auftretende Drehmoment und die unterschiedliche Kompression bzw. Dehnung der Federn
Die vorliegenden Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist die Art der Sensormasse
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- MEMS-Beschleunigungssensor MEMS Accelerometer
- 22
- Sensormasse sensor mass
- 33
- Federn feathers
- 44
- Anker anchor
- 55
- Elektrode electrode
- 66
- Elektrode electrode
- 77
- Stopper stopper
- 88th
- Erhebungen surveys
- BB
- Bewegungsrichtung movement direction
- αα
- Winkel angle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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