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Die Erfindung betrifft eine Gelenkvorrichtung für einen Sensor. Die Erfindung betrifft ferner einen Sensor.
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Stand der Technik
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Sensoren umfassen in der Regel mehrere Masseelemente, welche miteinander mittels Federn gekoppelt sind. Solche Federn sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
EP 1 234 799 A2 und aus der Patentschrift
US 6 552 991 B1 bekannt.
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Die Veröffentlichung
EP 1 319 927 A1 zeigt ein MEMS Gyroskop mit einer vertikal zu einem darunterliegenden Substrat schwingenden ersten Masse und einer horizontal schwingenden zweiten Masse welche mit der ersten Masse gekoppelt ist. Die Schrift
DE 10 2006 052 414 A1 zeigt einen mikromechanischen Aktor mit einem Gelenk.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, eine Gelenkvorrichtung für einen Sensor anzugeben, welche eine verbesserte gelenkige Verbindung zwischen Masseelementen des Sensors ermöglicht.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist auch darin zu sehen, einen entsprechenden Sensor mit einer verbesserten gelenkigen Verbindung zwischen Masseelementen des Sensors bereitzustellen.
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Diese Aufgaben werden mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt wird eine Gelenkvorrichtung für einen Sensor bereitgestellt. Die Gelenkvorrichtung umfasst eine Verbindungsplatte zum Verbinden eines ersten Masseelements mit einem zweiten Masseelement des Sensors. Ferner umfasst die Gelenkvorrichtung einen Steg, welcher auf einer Oberfläche der Verbindungsplatte angeordnet ist.
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Des Weiteren umfasst die Gelenkvorrichtung zumindest eine durch eine der Verbindungsplatte und des Stegs verlaufende und die Verbindungsplatte oder den Steg teilende, insbesondere zweiteilende, erste Aussparung, welche zumindest teilweise unter dem Steg oder über der Oberfläche der Verbindungsplatte gebildet ist, so dass der Steg oder die Verbindungsplatte die erste Aussparung überbrückend angeordnet ist.
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Nach einem weiteren Aspekt ist ein Sensor bereitgestellt, welcher ein erstes und ein zweites Masseelement umfasst. Ferner umfasst der Sensor die Gelenkvorrichtung, wobei das erste Masseelement und das zweite Masseelement mittels der Verbindungsplatte miteinander verbunden sind und wobei die erste Aussparung zwischen dem ersten Masseelement und dem zweiten Masseelement angeordnet ist.
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Die Erfindung umfasst also insbesondere den Gedanken, in der Verbindungsplatte oder in dem Steg eine erste Aussparung derart vorzusehen bzw. zu bilden, dass diese erste Aussparung die Verbindungsplatte oder den Steg teilt. Eine Verbindung der beiden entsprechenden Plattenteile der Verbindungsplatte bzw. der beiden entsprechenden Stegteile des Stegs wird mittels des Stegs bzw. der Verbindungsplatte bewirkt, insofern der Steg bzw. die Verbindungsplatte die Aussparung überbrückt.
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Aufgrund des Vorsehens der ersten Aussparung wird eine gezielte Schwächung in der Verbindungsplatte oder dem Steg bewirkt. An dieser Schwächung ist in vorteilhafter Weise eine entsprechende Auslenkung, beispielsweise eine Rotation, um bzw. entlang einer bzw. einer der drei Raumachsen gemäß dem kartesischen Koordinatensystem ermöglicht. Das heißt also insbesondere, dass an dieser Schwächung eine leichte Auslenkbarkeit in einer der drei Raumebenen gemäß dem kartesischen Koordinatensystem, beispielsweise in einer horizontalen oder vertikalen Ebene, ermöglicht ist. Diese Schwächung zusammen mit dem überbrückenden Steg bzw. der überbrückenden Verbindungsplatte wirkt somit in vorteilhafter Weise wie ein Gelenk, so dass eine gelenkige Verbindung zwischen den beiden Masseelementen des Sensors in vorteilhafter Weise ermöglicht ist.
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Eine Platte im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet insbesondere ein flächiges Bauteil, was in seiner Ruhelage eben ist. Vorzugsweise ist die Platte als ein Quader gebildet, insbesondere als ein Würfel.
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Nach einer Ausführungsform ist zumindest eine durch den anderen der Verbindungsplatte und des Stegs verlaufende und die Verbindungsplatte oder den Steg teilende, insbesondere zweiteilende, zweite Aussparung gebildet, welche zumindest teilweise unter dem Steg oder über der Oberfläche der Verbindungsplatte gebildet ist, so dass der Steg oder die Verbindungsplatte die zweite Aussparung überbrückend angeordnet ist. Das heißt also insbesondere, dass, wenn die erste Aussparung die Verbindungsplatte teilt, die zweite Aussparung den Steg teilt. Wenn die erste Aussparung hingegen den Steg teilt, so teilt die zweite Aussparung die Verbindungsplatte. In dieser Ausführungsform weisen insofern sowohl die Verbindungsplatte als auch der Steg jeweils eine Aussparung auf, welche die Verbindungsplatte respektive den Steg teilt, wobei die beiden entsprechenden Teile weiterhin mittels der Verbindungsplatte oder des Stegs miteinander verbunden bleiben, insofern der Steg bzw. die Verbindungsplatte die Aussparung zwischen den beiden Teilen, d.h. den Plattenteilen oder den Stegteilen, überbrückt. Die beiden Aussparungen sind insbesondere an unterschiedlichen Positionen angeordnet. Dadurch also, dass gemäß dieser Ausführungsform zwei Aussparungen gebildet sind, kann die Gelenkvorrichtung in vorteilhafter Weise an zwei Bereichen, hier den beiden Aussparungen, ausgelenkt werden. Es wird somit in vorteilhafter Weise ein weiterer mechanischer Freiheitsgrad gewonnen.
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In einer anderen Ausführungsform ist zumindest ein weiterer Steg, insbesondere mehrere weitere Stege, auf der Oberfläche die erste Aussparung überbrückend angeordnet. Das heißt also insbesondere, dass ein weiterer Steg vorgesehen ist, welcher ebenfalls die erste Aussparung überbrückt. Dadurch wird insbesondere in vorteilhafter Weise eine mechanische Stabilisierung bewirkt, so dass gegebenenfalls bei Bedarf eine Begrenzung einer Auslenkungsamplitude bewirkt werden kann. Ferner wird dadurch auch in vorteilhafter Weise eine stabilere und zuverlässigere Verbindung zwischen den beiden Plattenteilen der Verbindungsplatte bewirkt. Durch das Vorsehen eines weiteren Stegs wird weiterhin in vorteilhafter Weise eine Redundanz erreicht, insofern selbst bei einer mechanischen Beschädigung des Stegs immer noch der weitere Steg die Überbrückungsfunktion übernehmen kann. Ein entsprechender Sensor ist somit besonders robust und weist eine erheblich erhöhte Lebensdauer auf.
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In einer anderen Ausführungsform verläuft der weitere Steg parallel zu dem Steg. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine besonders mechanisch stabile und robuste Anordnung bewirkt. Vorzugsweise ist der weitere Steg identisch zu dem Steg gebildet und entsprechend parallel zu diesem angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine durch den weiteren Steg verlaufende und den weiteren Steg teilende dritte Aussparung gebildet, welche über der Oberfläche der Verbindungsplatte gebildet ist, so dass die Verbindungsplatte die beiden weiteren Stegteile überbrückend angeordnet ist, wobei die dritte Aussparung der ersten respektive zweiten Aussparung des Stegs zumindest teilweise gegenüber liegend angeordnet ist. Das heißt also insbesondere, dass gemäß dieser Ausführungsform sowohl der Steg als auch der weitere Steg jeweils eine Aussparung aufweist, welche den Steg respektive den weiteren Steg teilt. Die Verbindungsplatte überbrückt dann die entsprechenden Stegteile bzw. weiteren Stegteile. Hierbei liegen die beiden Aussparungen der beiden Stege, d.h. dem Steg und dem weiteren Steg, zumindest teilweise gegenüber, insbesondere sind beide Aussparungen deckungsgleich angeordnet. Dadurch wird insbesondere in vorteilhafter Weise verhindert, dass die mittels der Aussparung des Stegs gebildete Schwächung durch den weiteren Steg wieder aufgehoben wird bzw. dass die mittels der Aussparung des weiteren Stegs gebildete Schwächung mittels des Stegs aufgehoben wird. Beide Stege weisen jeweils eine Schwächung auf, welche sich insofern in vorteilhafter Weise nicht gegenseitig aufheben. Es ist somit in vorteilhafter Weise weiterhin in diesem überlappenden Aussparungsbereich möglich, die Verbindungsplatte entsprechend auszulenken, wobei aber gleichzeitig aufgrund des Vorsehens des weiteren Stegs eine robuste und redundante Anordnung ermöglicht ist.
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Nach noch einer Ausführungsform sind die Stege, das heißt also insbesondere der Steg und der weitere Steg, senkrecht auf der Verbindungsplatte angeordnet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine besonders einfache Herstellung der Gelenkvorrichtung bzw. eines entsprechenden Sensors ermöglicht. Ferner können so auch in vorteilhafter Weise die entsprechenden auf die Gelenkvorrichtung wirkenden Kräfte gemäß dem kartesischen Koordinatensystem klar und eindeutig und einfach definiert werden. Bei einer Ausführungsform mit nur einem Steg, welcher senkrecht auf der Verbindungsplatte angeordnet ist, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass ein Querschnitt durch die Gelenkvorrichtung eine L-Form oder eine T-Form aufweist. Bei einer Ausführungsform mit einem Steg und einem weiteren Steg, welche jeweils senkrecht auf der Verbindungsplatte und parallel zueinander verlaufend angeordnet sind, weist ein Querschnitt durch die Gelenkvorrichtung insbesondere eine U-Form auf.
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Nach einer Ausführungsform ist die Gelenkvorrichtung als eine mikromechanische Gelenkvorrichtung gebildet. Das heißt also insbesondere, dass die mikromechanische Gelenkvorrichtung Abmessungen im Mikrometerbereich aufweist. Eine solche Gelenkvorrichtung kann in vorteilhafter Weise auch in einem begrenzten Bauraum verwendet werden. Ferner kann eine solche Gelenkvorrichtung mittels bekannter Herstellungsverfahren wie beispielsweise bekannt aus den Halbleiterherstellungsverfahren hergestellt werden.
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Nach einer Ausführungsform ist der Sensor als ein mikromechanischer Sensor gebildet. Die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der Gelenkvorrichtung gelten analog für den mikromechanischen Sensor.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist der Sensor als ein Inertialsensor gebildet. Der Inertialsensor kann beispielsweise ein Beschleunigungssensor undloder ein Drehratensensor sein, das heißt also insbesondere, dass der Inertialsensor vorzugsweise sowohl Beschleunigungen als auch Drehraten detektieren bzw. messen kann.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist das erste Masseelement ein Substrat, insbesondere ein Halbleitersubstrat, und das zweite Masseelement ist als eine Schwingmasse gebildet. Mittels der Gelenkvorrichtung ist somit in vorteilhafter Weise eine Kopplung der Schwingmasse mit dem Substrat ermöglicht. Dadurch kann insbesondere im Vergleich mit bekannten U-Federn eine erhebliche Platzersparnis erreicht werden. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Plattenteil der geteilten Verbindungsplatte, welches mit dem Substrat verbunden ist, mittels einer Substrataufhängung mit dem Substrat verbunden ist. Das heißt also insbesondere, dass das Substrat eine von dem Substrat abstehende Substrataufhängung aufweisen kann, an welcher das Plattenteil aufgehängt werden kann.
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Somit kann in vorteilhafter Weise eine Anordnung bzw. Aufhängung der Gelenkvorrichtung oberhalb eines Substrats bewirkt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eines der beiden Masseelemen-te mittels einer Feder mit einem der Plattenteile der geteilten Verbindungsplatte verbunden. Vorzugsweise können beide Masseelemente mit jeweils einer oder mehreren Federn mit dem entsprechenden Plattenteil verbunden sein. Das Vorsehen einer Feder bewirkt insbesondere eine weichere Kopplung zwischen dem Masseelement und dem Plattenteil, was beispielsweise ein Schwingungsverhalten des Masseelements günstig beeinflussen kann.
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In einer Ausführungsform kann die Verbindungsplatte eine Winkelform aufweisen. Es sind also zwei Plattenschenkel gebildet, welche in einem vorbestimmten Winkel zueinander angeordnet sind. Beispielsweise kann eine rechtwinklige Winkelform analog zu einem L vorgesehen sein. Das heißt also insbesondere, dass die Verbindungsplatte eine L-Form aufweist. Aufgrund der Winkelform kann beispielsweise in vorteilhafter Weise ein vorhandener Bauraum besonders effizient ausgenutzt werden. Eine Verbindungsplatte aufweisend eine Winkelform kann vorzugsweise auch als ein Verbindungsplattenwinkel bezeichnet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Steg eine Winkelform aufweist. Es sind also zwei Stegschenkel gebildet, welche in einem vorbestimmten Winkel zueinander angeordnet sind. Beispielsweise kann eine rechtwinklige Winkelform analog zu einem L vorgesehen sein. Das heißt also insbesondere, dass der Steg eine L-Form aufweist. Aufgrund der Winkelform kann beispielsweise in vorteilhafter Weise ein vorhandener Bauraum besonders effizient ausgenutzt werden. Ein Steg aufweisend eine Winkelform kann vorzugsweise auch als ein Stegwinkel bezeichnet werden.
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In einer anderen Ausführungsform weist sowohl die Verbindungsplatte als auch der Steg eine Winkelform auf, insbesondere eine rechtwinklige Winkelform analog zu einem L. Vorzugsweise sind die beiden Winkelformen identisch, so dass ein Verlauf der Winkelform des Stegs einem Verlauf der Winkelform der Verbindungsplatte entspricht. Vorzugsweise verläuft die erste bzw. zweite Aussparung durch einen Scheitelbereich, also durch den sich aus der Winkelform ergebenen Winkelbereich, des Verbindungsplattenwinkels oder des Stegwinkels und teilt insofern die Verbindungsplatte oder den Steg in diesem Scheitelbereich, wobei der Stegwinkel die Aussparung des Verbindungsplattenwinkels oder der Verbindungsplattenwinkel die Aussparung des Stegwinkels überbrückt. Es wird also quasi die Ecke des Winkels ausgespart. Vorzugsweise weist die Verbindungsplatte zusätzlich zu der Aussparung in ihrem Scheitelbereich, noch eine weitere Aussparung in einem ihrer Schenkel auf, welche mittels des Stegs überbrückt ist, so dass in vorteilhafter Weise zwei im Wesentlichen rechtwinklig zu einander gebildete Auslenkungsmöglichkeiten gebildet werden.
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in einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass anstelle oder zusätzlich zu der Verbindungsplatte zumindest eines der beiden Masseelemente, insbesondere beide Masseelemente, mit dem Steg verbunden ist.
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In einer anderen Ausführungsform können die Verbindungsplatte und/oder der Steg aus einer Siliziumschicht, insbesondere einer Polysiliziumschicht, vorzugsweise einer epitaktischen Polysiliziumschicht gebildet sein.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Gelenkvorrichtung auch in einem Aktor verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
- 1 eine Gelenkvorrichtung für einen Sensor,
- 2 eine weitere Gelenkvorrichtung für einen Sensor,
- 3 eine andere Gelenkvorrichtung für einen Sensor,
- 4 die Gelenkvorrichtung gemäß 1 mit einem Masseelement,
- 5 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor im Vergleich zu einem bekannten Sensor,
- 6 einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor,
- 7 eine weitere Gelenkvorrichtung für einen Sensor,
- 8 eine Draufsicht auf die weitere Gelenkvorrichtung gemäß 7,
- 9 eine Gelenkvorrichtung für einen Sensor,
- 10 einen anderen erfindungsgemäßen Sensor und
- 11 eine Draufsicht auf den Sensor gemäß 10.
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im Folgenden werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine Gelenkvorrichtung 101 für einen Sensor (nicht gezeigt) umfassend eine Verbindungsplatte 103. Mittels der Verbindungsplatte 103 ist es insbesondere ermöglicht, ein erstes Masseelement mit einem zweiten Masseelement des Sensors zu verbinden. Die Verbindungsplatte 103 weist eine Quaderform auf.
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Die Gelenkvorrichtung 101 umfasst ferner einen Steg 105, welcher eine Quaderform aufweist und senkrecht auf einer Oberfläche 106 der Verbindungsplatte 103 angeordnet ist. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Steg 105 in Längsrichtung mittig auf der Oberfläche 106 angeordnet. Die Längsrichtung bezeichnet hier insbesondere die Richtung entlang der größten Ausdehnung der Verbindungsplatte 103. Eine Querschnittsform der Gelenkvorrichtung 101 weist insofern eine T-Form auf. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Steg 105 am Rand relativ zu der Längsrichtung der Verbindungsplatte 103 angeordnet ist, so dass eine entsprechende Querschnittsform eine L-Form aufweist. In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann ein weiterer Steg vorgesehen sein, welcher analog zu dem Steg 105 gebildet ist und parallel zu diesem verläuft. Insofern kann eine entsprechende Querschnittsform einer solchen Gelenkvorrichtung eine U-Form aufweisen.
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Die Verbindungsplatte 103 weist eine erste Aussparung 107 auf. Die Aussparung 107 teilt die Verbindungsplatte 103 in zwei Plattenteile 103a und 103b auf.
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Der Steg 105 weist eine zweite Aussparung 109 auf, welche den Steg 105 in zwei Stegteile 105a und 105b teilt.
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Hierbei verläuft die erste Aussparung 107 zumindest teilweise unter dem Stegteil 105a, so dass der Steg 105 mittels seines Stegteils 105a die Aussparung 107 zwischen den beiden Plattenteilen 103a und 103b überbrückt. Das Stegteil 105a verbindet somit in vorteilhafter Weise die beiden Plattenteile 103a und 103b.
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Die zweite Aussparung 109 ist über der Oberfläche 106 des Plattenteils 103b gebildet. Die Verbindungsplatte 103 überbrückt somit mittels des Plattenteils 103b die zweite Aussparung 109 des Stegs 105. Somit verbindet in vorteilhafter Weise das Plattenteil 103b die beiden Stegteile 105a und 105b des Stegs 105.
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Für ein besseres Verständnis ist in den 1 bis 9 jeweils ein kartesisches x, y, z-Koordinatensystem eingezeichnet.
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Aufgrund der ersten Aussparung 107 weist die Verbindungsplatte 103 eine entsprechende Schwächung auf. Hier ist in vorteilhafter Weise eine besonders einfache Auslenkung (vgl. gekrümmten Pfeil) um die z-Achse ermöglicht. Diese Auslenkung findet in der x, y-Ebene statt. Wenn also beispielsweise an das der ersten Aussparung 107 gegenüberliegendem Ende des Plattenteils 103a ein Masseelement angebracht wird, so kann dieses in vorteilhafter Weise in der x, y-Ebene ausgelenkt werden.
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Analog zu der ersten Aussparung 107 bewirkt die zweite Aussparung 109 eine gezielte Schwächung des Stegs 105. An der entsprechenden Stelle ist eine einfache Auslenkung (vgl. gekrümmten Pfeil) um die x-Achse ermöglicht. Insofern kann das Masseelement aus der x, y-Ebene ausgelenkt werden.
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Die in 1 gezeigte Ausführungsform einer Gelenkvorrichtung ermöglicht somit in vorteilhafter Weise sowohl eine Auslenkung eines Masseelements in der x, y-Ebene als auch außerhalb der x, y-Ebene. Eine solche Gelenkvorrichtung kann auch als eine 2D-Gelenkvorrichtung bezeichnet werden, wobei 2D hier für zweidimensional steht, also eine Auslenkung in zwei Dimensionen, oder auch für zwei mechanische Freiheitsgrade.
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2 zeigt eine weitere Gelenkvorrichtung 201 für einen Sensor. Im Unterschied zu der Gelenkvorrichtung 101 gemäß 1 weist hier nur die Verbindungsplatte 103 eine erste Aussparung 107 auf. Insofern ist in der Gelenkvorrichtung 201 gemäß 2 lediglich eine Auslenkung (vgl. gekrümmten Pfeil) um die z-Achse, d.h. in der x, y-Ebene ermöglicht.
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3 zeigt eine andere Ausführungsform einer Gelenkvorrichtung 301 für einen Sensor. Im Unterschied zu der Gelenkvorrichtung 101 gemäß 1 weist hier lediglich der Steg 105 eine zweite Aussparung 109 auf, so dass hier lediglich eine Auslenkung (vgl. gekrümmten Pfeil) außerhalb der x, y-Ebene um die x-Achse ermöglicht ist.
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Die Gelenkvorrichtungen 201 und 301 gemäß 2 respektive 3 können insofern auch als eine 1 D-Gelenkvorrichtung bezeichnet werden, wobei 1D für eindimensional steht, also eine Auslenkung in einer Dimension, oder auch für einen mechanischen Freiheitsgrad.
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4 zeigt die Gelenkvorrichtung 101 gemäß 1 mit einem Masseelement 401, welches an dem Plattenteil 103a angeordnet ist. Der Übersicht halber sind nicht sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet. Das Masseelement 401 kann insbesondere als seismische Masse, also als eine Schwingmasse, bezeichnet werden. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise in einem x, z-Beschleunigungssensor verwendet werden. Ein solcher Sensor weist insbesondere hier nicht gezeigte Detektionselektroden auf, um eine entsprechende Auslenkung (vgl. gekrümmte Pfeile) des Masseelements 401 um die z-Achse oder x-Achse kapazitiv erfassen zu können. In einem solchen Sensor wäre beispielsweise das Plattenteil 103b mit einem Substrat des Sensors verbunden.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Sensor 501 (rechts) im Vergleich zu einem Sensor 503 (links) nach dem Stand der Technik. Der erfindungsgemäße Sensor 501 ist insbesondere ein x- Beschleunigungssensor.
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Beide Sensoren 501 und 503 weisen eine Schwingmasse 505 auf.
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in dem bekannten Sensor 503 ist die Schwingmasse mittels zweier U-Federn 507 mit einem hier nicht gezeigten Substrat gekoppelt, welches in der Papierebene (x, y-Ebene) angeordnet ist.
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In dem erfindungsgemäßen Sensor 501 ist die Schwingmasse 505 mittels zweier Gelenkvorrichtungen 509 mit einer Substrataufhängung 511, welche mit dem Substrat des Sensors verbunden ist, verbunden. Das heißt also insbesondere, dass die Schwingmasse 505 in dem erfindungsgemäßen Sensor 501 mittels der Gelenkvorrichtungen 509 an dem Substrat aufgehängt ist. Die Gelenkvorrichtungen 509 können beispielsweise analog zu den Gelenkvorrichtungen 101, 201 und 301 gemäß 1 bis 3 gebildet sein. Hierbei sind ein Plattenteil mit der Schwingmasse 505 und das andere Plattenteil mit der Substrataufhängung 511 verbunden.
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Durch das Vorsehen von Gelenkvorrichtungen anstelle von U-Federn kann in vorteilhafter Weise eine erhebliche Platzersparnis bewirkt werden, so dass der erfindungsgemäße Sensor 501 im Vergleich zum bekannten Sensor 505 kleiner und kompakter aufgebaut werden kann.
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6 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor 601. Der Sensor 601 weist ein Substrat 603 auf. Mittig zum Substrat 603 ist eine Substrataufhängung 605 gebildet, welche mit dem Substrat 603 verbunden ist, was hier der Übersicht halber in 6 nicht im Einzelnen gezeigt ist. Der Sensor 601 ist hier insbesondere als ein z- Beschleunigungssensor gebildet.
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An der Substrataufhängung 605 sind links und rechts relativ zur x-Achse, also hier parallel zum Substrat 603, zwei Gelenkvorrichtungen 607 angeordnet. Hierbei ist ein entsprechendes Plattenteil der Verbindungsplatte der jeweiligen Gelenkvorrichtung 607 mit der Substrataufhängung 605 verbunden. Das andere Plattenteil der Verbindungsplatte der jeweiligen Gelenkvorrichtung 607 ist mit einem Ende einer ersten Schwingmasse 609 respektive zweiten Schwingmasse 611 verbunden. An einem diesem Ende gegenüberliegenden weiteren Ende der ersten Schwingmasse 609 respektive zweiten Schwingmasse 611 ist ebenfalls eine Gelenkvorrichtung 607 angeordnet, wobei hier ein entsprechendes Plattenteil der Verbindungsplatte mit diesem Ende verbunden ist. Das andere Plattenteil der Gelenkvorrichtung ist mit einer Feder 613 verbunden, welche an einer weiteren Substrataufhängung 615 mit dem Substrat 603 verbunden ist.
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Somit ist in vorteilhafter Weise eine Aufhängung der beiden Schwingmassen 609 und 611 über dem Substrat 603 ermöglicht. Die in 6 gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 617 kennzeichnet eine Ruhelage der beiden Schwingmassen 609 und 611.
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Hierbei weist die erste Schwingmasse 609 eine größere Masse auf als die zweite Schwingmasse 611. Aufgrund einer sich daraus ergebenden asymmetrischen Masseverteilung wird bei einer Beschleunigung entlang der z-Achse die erste Schwingmasse 609 nach unten in z-Richtung in Richtung des Substrats 603 ausgelenkt, wohingegen die zweite Schwingmasse 611 in die entgegengesetzte Richtung ausgelenkt wird (vgl. gerade Pfeile). Es wird somit eine planparallele Bewegung realisiert, so dass bei einer anliegenden Beschleunigung in vorteilhafter Weise der erzielbare Kapazitätshub größer ist als bei einem bekannten Beschleunigungssensor, welcher eine Rippenstruktur für eine Winkelauslenkung aufweist. Der Sensor 601 ist insofern empfindlicher und weist eine höhere statische Clipping-Beschleunigung auf.
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Um eine Auslenkung der beiden Schwingmassen 609 und 611 erfassen zu können, weist das Substrat 603 noch entsprechende hier nicht gezeigte Detektionselektroden auf, um eine Auslenkungsamplitude kapazitiv erfassen zu können.
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7 zeigt eine weitere Gelenkvorrichtung 701. 8 zeigt eine Draufsicht auf die Gelenkvorrichtung 701 gemäß 7.
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Die Gelenkvorrichtung 701 ist zumindest teilweise analog zu der Gelenkvorrichtung 101 gemäß 1 aufgebaut. Insofern kann auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen werden. Als ein Unterschied weist die Verbindungsplatte 103 eine rechtwinklige Winkelform, also eine L-Form, auf. In dem entsprechenden rechtwinkligen Eckbereich, also dem Scheitelbereich der beiden entsprechenden Plattenschenkel, ist eine weitere Aussparung 703 gebildet, welche die Verbindungsplatte 103 an dieser Stelle teilt. Insofern ist die Verbindungsplatte 103 aufgrund der beiden Aussparungen 107 und 703 aus drei Plattenteilen 103a, 103b und 103c gebildet.
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Der Steg 105 weist eine L-Form auf, also eine rechtwinklige Winkelform. Der Verlauf der Winkelform des Stegs 105 entspricht im Wesentlichen dem Verlauf der Winkelform der Verbindungsplatte 103, so dass der Steg 105 die weitere Aussparung 703 der Verbindungsplatte 103 überbrückt. Aufgrund der gezielten Schwächung in der Verbindungsplatte 103 durch die weitere Aussparung 703 kann in diesem Bereich das Plattenteil 103c, welches mittels des rechtwinkligen Stegs 105 mit den beiden anderen Plattenteilen 103a und 103b verbunden ist, entsprechend im Wesentlichen entlang der y-Achse ausgelenkt werden (vgl. gekrümmten Pfeil).
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An dem Plattenteil 103b ist ein erstes Masseelement 705 angeordnet, welches fest mit einem hier nicht gezeigten Substrat eines ebenfalls nicht gezeigten Sensors verbunden ist. An dem Plattenteil 103c ist ein zweites Masseelement 707 vorgesehen, welches mittels der Gelenkvorrichtung 701 in vorteilhafter Weise im Wesentlichen entlang der drei Raumachsen ausgelenkt werden kann. Die Gelenkvorrichtung 701 kann insofern auch als eine 3D-Gelenkvorrichtung bezeichnet werden, wobei 3D hier für dreidimensional steht oder für das Vorhandensein von drei mechanischen Freiheitsgraden. Die Gelenkvorrichtung 701 kann vorzugsweise in einem x, y, z- Beschleunigungssensor verwendet werden, d.h. einem Sensor, welcher eine Beschleunigung entlang der drei Raumachsen detektieren kann..
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9 zeigt eine weitere Gelenkvorrichtung 901 für einen Sensor (nicht gezeigt). Die Gelenkvorrichtung 901 ist im Wesentlichen analog zu der Gelenkvorrichtung 701 gemäß 7 aufgebaut. Als ein Unterschied weist der Steg 105 keine L-Form auf, sondern ist analog zu dem Steg 105 gemäß der Gelenkvorrichtung 101 gemäß 1 gebildet. Die Verbindungsplatte 103 ist analog zu der Verbindungsplatte 103 der Gelenkvorrichtung 701 gemäß 7 gebildet, wobei aber als ein weiterer Unterschied keine weitere Aussparung 703 in dem Scheitelbereich gebildet ist. Da aber der Steg 105 keine L-Form aufweist und insofern den entsprechenden Schenkel der Verbindungsplatte 103, an welchem das zweite Masseelement 707 angeordnet ist, nicht stabilisieren kann, kann der Schenkel mit dem zweiten Masseelement 707 aus der x, y-Ebene um die y-Ebene ausgelenkt werden (vgl. gekrümmten Pfeil). Auch die Gelenkvorrichtung 901 weist drei Auslenkungsmöglichkeiten, also drei mechanische Freiheitsgrade, des zweiten
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Masseelements 707 auf und kann insofern als eine 3D-Gelenkvorrichtung bezeichnet werden. Die Gelenkvorrichtung 901 kann in vorteilhafter Weise in einem Sensor verwendet werden, welcher eine Beschleunigung in x- und z-Richtung und zusätzlich noch eine Drehbeschleunigung um die z-Achse detektieren kann.
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10 zeigt einen anderen erfindungsgemäßen Sensor 1001, welcher im Wesentlichen analog zum Sensor 601 gemäß 6 gebildet ist, wobei die Unterschiede im Folgenden erläutert werden. Es werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet, so dass insofern die im Zusammenhang mit 6 gemachten Ausführungen analog für den Sensor 1001 gelten. 11 zeigt eine Draufsicht auf den Sensor 1001 gemäß 10.
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Als ein Unterschied zu dem Sensor 601 gemäß 6 sind die beiden Schwingmassen 609 und 611 mit an ihren der Substrataufhängung 605 respektive der weiteren Substrataufhängung 615 gegenüberliegenden Enden nicht direkt mit einer Gelenkvorrichtung 607 verbunden. Vielmehr sind die Schwingmassen 609 und 611 mittels mehrerer Federelemente 1003 mit der entsprechenden Gelenkvorrichtung 607 gekoppelt. Die Federelemente 1003 können beispielsweise als Biegebalken ausgebildet sein. Gemäß der Draufsicht gemäß 11 sind die mehreren Federelemente, hier beispielsweise vier Federelemente, insbesondere derart angeordnet, dass zwei aufeinanderfolgende Federelemente 1003 in einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind.
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Als noch ein Unterschied zu dem Sensor 601 6 sind die Gelenkvorrichtungen 607 mit den weiteren Substrataufhängungen 615 nicht mittels einer Feder 613 gekoppelt, sondern mittels einer Koppelmasse 1005, welche mittels einer Scharniervorrichtung 1007 mit der entsprechenden weiteren Substrataufhängung 615 verbunden ist. Somit ist in vorteilhafter Weise eine Auslenkung der Koppelmassen 1005 in z-Richtung ermöglicht.
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Als noch ein weiterer Unterschied zu dem Sensor 601 gemäß 6 sind die Gelenkvorrichtungen 607 nicht direkt an der Substrataufhängung 605 befestigt, sondern mittels einer Koppelmasse 1005 und einer entsprechenden Scharniervorrichtung 1007 analog zu der Kopplung der Gelenkvorrichtungen 607 mit den weiteren Substrataufhängungen 615.
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Der Sensor 1001 kann beispielsweise als ein Drehratensensor verwendet werden, welcher eine Drehrate um die z-Achse erfassen kann.
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Obwohl hier nicht explizit gezeigt, können der Sensor 1001 und insofern insbesondere der Sensor 601 gemäß 6 vorzugsweise einen Antrieb zum Antreiben der beiden Schwingmassen 609 und 611 aufweisen, welcher vorzugsweise zwischen den beiden Schwingmassen 609 und 611 angeordnet sein kann.
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Zusammenfassend umfasst also die Erfindung insbesondere den Gedanken, in einer Struktur aus einer Verbindungsplatte und einem darauf angeordneten Steg gezielt eine Schwächung mittels Aussparungen in der Verbindungsplatte undloder in dem Steg, also insbesondere in der vertikalen und/oder horizontalen Struktur, vorzunehmen, so dass die gesamte Anordnung stückweise in steife Segmente übergeht, die dann jeweils horizontal oder vertikal leicht auslenkbar sind. Durch entsprechende Mehrfachkombinationen einer solchen kaskadierten Schwächung können in vorteilhafter Weise Gelenkketten gebildet werden. Durch entsprechende Umlenkmechanismen, wie beispielsweise ein Verbindungsplatte undloder ein Steg in Winkelform, insbesondere in rechtwinkliger Form, kann in vorteilhafter Weise vorzugsweise zusätzlich zu einem 2D-Gelenk auch ein 3D-Gelenk gebildet werden, welches drei Auslenkungsmöglichkeiten, also drei mechanische Freiheitsgrade, eines Masseelements ermöglicht. Hierbei steht 2D bzw. 3D für zweidimensional respektive dreidimensional und bezeichnet insbesondere die Anzahl an Auslenkungsmöglichkeiten, also die mechanischen Freiheitsgrade.
