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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor mit einem Substrat und mit einer gegenüber dem Substrat beweglichen Masse und mit einem die Masse relativ zum Substrat beweglich aufhängenden Aufhängemittel, wobei der Drehbeschleunigungssensor ein Detektionsmittel zum Detektieren eines gegenüber einer Ruhelage ausgelenkten Zustandes der Masse aufweist, wobei das Detektionsmittel eine erste Detektionseinheit zum Detektieren eines ausgelenkten Zustandes der Masse im Sinne eines Verschwenkens der Masse um eine erste Achse im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats aufgrund einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um die erste Achse umfasst.
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Derartige Drehbeschleunigungssensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 199 38 206 A1 einen Drehbeschleunigungssensor für das Detektieren einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um eine Achse senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Substrats.
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Es wird jedoch kein Drehbeschleunigungssensor vorgeschlagen, dessen Detektionsmittel, zusätzlich zu einer wie oben beschriebenen ersten Detektionseinheit, eine zweite Detektionseinheit zum Detektieren eines ausgelenkten Zustandes der Masse im Sinne eines Verschwenkens der Masse um eine zweite Achse im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene des Substrats aufgrund einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um die zweite Achse umfasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Drehbeschleunigungssensor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass das Detektionsmittel des erfindungsgemäßen Drehbeschleunigungssensors eine zweite Detektionseinheit zum Detektieren eines ausgelenkten Zustandes der Masse im Sinne eines Verschwenkens der Masse um eine zweite Achse im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene des Substrats aufgrund einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um die zweite Achse umfasst. Hierdurch lässt sich mithilfe einer mikromechanischen Struktur auf kompakte, mechanisch robuste und kostengünstige Weise ein Drehbeschleunigungssensor für das Detektieren von Drehbeschleunigungen entlang zweier senkrecht zueinander verlaufender Achsen realisieren. Auch eine Erweiterung für das Detektieren von Drehbeschleunigungen entlang dreier senkrecht zueinander verlaufender Achsen lässt sich auf kompakte, mechanisch robuste und kostengünstige Weise realisieren.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Detektionsmittel eine dritte Detektionseinheit zum Detektieren eines ausgelenkten Zustandes der Masse im Sinne eines Verschwenkens der Masse um eine dritte Achse im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene und im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Achse aufgrund einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um die dritte Achse umfasst. Hierdurch lässt sich mithilfe einer mikromechanischen Struktur auf kompakte, mechanisch robuste und kostengünstige Weise ein Drehbeschleunigungssensor für das Detektieren von Drehbeschleunigungen entlang dreier senkrecht zueinander verlaufender Achsen realisieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Masse als eine ringförmige Scheibe ausgebildet ist, wobei sich die ringförmige Scheibe in der Ruhelage im Wesentlichen in einer Ebene im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene erstreckt, wobei der Drehbeschleunigungssensor im Bereich des Mittelpunktes der ringförmigen Scheibe einen substratfesten Ankerpunkt aufweist, wobei die ringförmige Scheibe über das Aufhängemittel mit dem Ankerpunkt verbunden ist. Auf vorteilhafte Weise wird somit ein Drehbeschleunigungssensor zur Detektion einer Drehbeschleunigung um eine Achse und/oder um zwei senkrecht zueinander verlaufende Achsen und/oder zu drei senkrecht zueinander verlaufende Achsen realisiert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Aufhängemittel mindestens eine Feder, insbesondere eine Torsionsfeder und/oder eine Biegefeder, umfasst, wobei die Anzahl der Federn größer als 2 ist, insbesondere 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, wobei die Federn jeweils über den Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden sind. Auf vorteilhafte Weise wird somit erreicht, dass die Masse bzw. die ringförmige Scheibe relativ zum Substrat beweglich aufgehängt ist. Insbesondere lässt sich die Masse bzw. die ringförmige Scheibe um die erste Achse und/oder um die zweite Achse und/oder um die dritte Achse verschwenken. Eine Anzahl der Federn größer als 2 macht den Drehbeschleunigungssensor insbesondere robust gegenüber der Detektion von Linearbeschleunigungen. Weiterhin nimmt eine solche Robustheit mit zunehmender Anzahl an Federn zu. Dadurch, dass die Federn jeweils über den Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden sind, lässt sich ein kompakter und kostengünstiger Drehbeschleunigungssensor realisieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Detektionseinheit mindestens eine erste Elektrode umfasst, wobei die erste Elektrode im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist, wobei sich die erste Elektrode im Wesentlichen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene erstreckt, wobei sich die erste Elektrode im Wesentlichen entlang einer Radiallinie der ringförmigen Scheibe erstreckt, welche von dem Ankerpunkt ausgeht und parallel zu der Haupterstreckungsebene verläuft, wobei die erste Elektrode derart auf dem Substrat angeordnet ist, dass sie zumindest teilweise in eine Ausnehmung der ringförmigen Scheibe hineinragt, wobei insbesondere mindestens zwei erste Elektroden im Wesentlichen entlang einer gegenüberliegenden Radiallinie und im Wesentlichen im gleichen Abstand zu der ersten Achse bzw. zu dem Ankerpunkt angeordnet sind. Somit lässt sich auf vorteilhafte Weise ein ausgelenkter Zustand der Masse bzw. der kreisförmigen Scheibe gegenüber einer Ruhelage im Sinne eines Verschwenkens der Masse bzw. der kreisförmigen Scheibe um eine erste Achse im Wesentlichen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats aufgrund einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um die erste Achse detektieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Detektionseinheit mindestens eine zweite Elektrode umfasst, wobei die zweite Elektrode im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist, wobei sich die zweite Elektrode im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene erstreckt und zumindest teilweise zwischen dem Substrat und der Masse angeordnet ist, wobei mindestens zwei zweite Elektroden im Wesentlichen entlang der dritten Achse und im Wesentlichen im gleichen Abstand zu der ersten Achse bzw. zu dem Ankerpunkt angeordnet sind. Auf vorteilhafte Weise lässt sich somit ein ausgelenkter Zustand der Masse bzw. der kreisförmigen Scheibe gegenüber einer Ruhelage im Sinne eines Verschwenkens der Masse bzw. der kreiförmigen Scheibe um eine zweite Achse im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene des Substrats aufgrund einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um die zweite Achse detektieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die dritte Detektionseinheit mindestens eine dritte Elektrode umfasst, wobei die dritte Elektrode im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist, wobei sich die dritte Elektrode im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene erstreckt und zumindest teilweise zwischen dem Substrat und der Masse angeordnet ist, wobei mindestens zwei dritte Elektroden im Wesentlichen entlang der zweiten Achse und im Wesentlichen im gleichen Abstand zu der ersten Achse bzw. zu dem Ankerpunkt angeordnet sind. Somit lässt sich auf vorteilhafte Weise ein ausgelenkter Zustand der Masse bzw. der kreisförmigen Scheibe gegenüber einer Ruhelage im Sinne eines Verschwenkens der Masse bzw. der kreisförmigen Scheibe um eine dritte Achse im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene und im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Achse aufgrund einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um die dritte Achse detektieren.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die zweite Detektionseinheit mindestens eine vierte Elektrode umfasst, wobei die vierte Elektrode im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist, wobei sich die vierte Elektrode im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene erstreckt und auf einer der zweiten Elektrode gegenüberliegenden und dem Substrat abgewandten Seite der Masse angeordnet ist, wobei mindestens zwei vierte Elektroden im Wesentlichen entlang der dritten Achse und im Wesentlichen im gleichen Abstand zu der ersten Achse bzw. zu dem Ankerpunkt und auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Achse bzw. des Ankerpunktes angeordnet sind. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, einen ausgelenkten Zustand der Masse bzw. der kreisförmigen Scheibe im Sinne eines Verschwenkens der Masse bzw. der kreisförmigen Scheibe um die zweite Achse aufgrund einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um die zweite Achse zu detektieren. Insbesondere ist somit auf vorteilhafte Weise eine Differenzauswertung möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die dritte Detektionseinheit mindestens eine fünfte Elektrode umfasst, wobei die fünfte Elektrode im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist, wobei sich die fünfte Elektrode im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene erstreckt und auf einer der dritten Elektrode gegenüberliegenden und dem Substrat abgewandten Seite der Masse angeordnet ist, wobei mindestens zwei fünfte Elektroden im Wesentlichen entlang der zweiten Achse und im Wesentlichen im gleichen Abstand zu der ersten Achse bzw. zu dem Ankerpunkt und auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Achse bzw. des Ankerpunktes angeordnet sind. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, einen ausgelenkten Zustand der Masse bzw. der kreisförmigen Scheibe im Sinne eines Verschwenkens der Masse bzw. der kreisförmigen Scheibe um die dritte Achse aufgrund einer Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors um die dritte Achse zu detektieren. Insbesondere ist somit auf vorteilhafte Weise eine Differenzauswertung möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Drehbeschleunigungssensor eine Halterung zum Halten der vierten Elektrode und/oder der fünften Elektrode umfasst, wobei die Halterung über den Ankerpunkt an dem Substrat befestigt ist. Hierdurch lässt sich auf kompakte, mechanisch robuste und kostengünstige Weise ein Drehbeschleunigungssensor für das Detektieren von Drehbeschleunigungen entlang einer und/oder zweier und/oder dreier senkrecht zueinander verlaufender Achsen inklusive Differenzauswertung realisieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Aufsicht eines Drehbeschleunigungssensors gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht eines Drehbeschleunigungssensors gemäß 1.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Aufsicht eines Drehbeschleunigungssensors gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Schnittansicht eines Drehbeschleunigungssensors gemäß 3.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist ein Drehbeschleunigungssensors 1 in einer schematischen Darstellung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Drehratensenor 1 weist ein in 2 dargestelltes Substrat 3 mit einer Haupterstreckungsebene 100, eine bewegliche Masse 5, ein Aufhängemittel 7 und ein Detektionsmittel 11 auf.
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Die in 1 beispielhaft dargestellte Masse 5 ist als eine ringförmige Scheibe 5 ausgebildet. Die ringförmige Scheibe 5 befindet sich in der Ruhelage im Wesentlichen in einer Ebene im Wesentlich parallel zu der Haupterstreckungsebene 100. Selbstverständlich ist hierbei die Geometrie der Masse 5 nicht auf eine ringförmige Scheibe 5 begrenzt. Die Masse 5 ist beispielsweise als eine rahmenartige Scheibe, eine kreisförmige Scheibe, ein Tetraeder und/oder eine andere dreidimensionale Form ausgebildet. Im Mittelpunkt der beispielhaft dargestellten ringförmigen Scheibe 5 weist der Drehbeschleunigungssensor 1 einen substratfesten Ankerpunkt 33 auf, wobei die ringförmige Scheibe 5 über das Aufhängemittel 7 mit dem Ankerpunkt 33 verbunden ist. Denkbar ist auch, dass der Drehbeschleunigungssensor 1 mehr als einen substratfesten Ankerpunkt 33 aufweist. Beispielsweise weist der Drehbeschleunigungssensor 1 zusätzlich oder alternativ zu dem hier dargestellten substratfesten Ankerpunkt 33 weitere substratfeste Ankerpunkte 33 im Bereich des Mittelpunktes der ringförmigen Scheibe 5 und/oder auch weitere substratfeste Ankerpunkte 33 im radial nach außen gerichteten Bereich der ringförmigen Scheibe 5 auf. Weiterhin weist die ringförmige Scheibe 5 sechs Ausnehmungen 29 zur Aufnahme von jeweils zwei ersten Elektroden 35 einer ersten Detektionseinheit 13 auf. Mithilfe der Anordnung von jeweils zwei ersten Elektroden 35 innerhalb jeder der sechs Ausnehmungen 29 ist auf vorteilhafte Weise ein Detektieren von Drehbeschleunigungen um eine erste Achse 15 inklusive Differenzauswertung realisierbar.
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Das in 1 bespielhaft dargestellte Aufhängemittel 7 weist vier Federn 31 auf, welche mit der ringförmigen Scheibe 5 und über den Ankerpunkt 33 mit dem Substrat 3 verbunden sind. Die hier dargestellten Federn 31 sind weich gegenüber einer Torsionsbewegung und weich gegenüber einer Biegebewegung ausgebildet. Auch alternative Aufhängemittel, beispielweise Federn 31 im radial nach außen gerichteten Bereich der ringförmigen Scheibe 5 sind bei alternativen Ausführungsbeispielen denkbar.
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Das in 1 bespielhaft dargestellte Detektionsmittel 11 umfasst eine erste Detektionseinheit 13, eine zweite Detektionseinheit 17, sowie eine beispielhafte dritte Detektionseinheit 21 auf.
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Die erste Detektionseinheit 13 des hier dargestellten Ausführungsbeispiels umfasst zwölf erste Elektroden 35, welche im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet sind, sich senkrecht zu der Haupterstreckungsebene 100 und sternförmig in radialer Richtung der ringförmigen Scheibe 5 erstrecken. Hierbei ragen jeweils zwei erste Elektroden 35 in eine von sechs Ausnehmungen 29 der ringförmigen Scheibe 5. Denkbar ist beispielsweise auch, dass erste Elektroden 35 im radial innen gelegenen Bereich und/oder im radial außen gelegenen Bereich der ringförmigen Scheibe 5 angeordnet sind. Hierbei ist beispielsweise denkbar, dass die Elektroden mit einer kammartigen Struktur der ringförmigen Scheibe 5 zur Detektion wechselwirken.
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Die zweite Detektionseinheit 17 und die dritte Detektionseinheit 21 sind im hier dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise gleich ausgebildet, jedoch in einem rechten Winkel um den Ankerpunkt 33 gedreht zueinander angeordnet. Die zweite Detektionseinheit 17 umfasst zwei plattenförmig ausgebildete zweite Elektroden 37, welche im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 und zumindest teilweise zwischen dem Substrat 3 und der Masse 5 angeordnet sind. Hierbei sind die zwei zweiten Elektroden 37 im Wesentlichen im gleichen Abstand zu dem Ankerpunkt 33 entlang der dritten Achse 23 angeordnet. Die dritte Detektionseinheit 21 umfasst zwei plattenförmig ausgebildete dritte Elektroden 39, welche im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 und zumindest teilweise zwischen dem Substrat 3 und der Masse 5 angeordnet sind. Hierbei sind die zwei dritten Elektroden 39 im Wesentlichen im gleichen Abstand zu dem Ankerpunkt 33 entlang der zweiten Achse 19 angeordnet.
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Die Funktionsweise des in 1 beispielhaft dargestellten Drehbeschleunigungssensors 1 ist wie folgt. Liegt eine Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors 1 um die erste Achse 15 vor, so wird die Masse 5 aus dem in 1 dargestellten Zustand im Sinne eines Verschwenkens der Masse 5 um die erste Achse 15 ausgelenkt. Diese Auslenkung wird von der ersten Detektionseinheit 13 erfasst. Liegt eine Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors 1 um die zweite Achse 19 vor, so wird die Masse 5 aus dem in 1 dargestellten Zustand im Sinne eines Verschwenkens der Masse 5 um die zweite Achse 19 ausgelenkt. Diese Auslenkung wird von der zweiten Detektionseinheit 17 erfasst. Liegt eine Drehbeschleunigung des Drehbeschleunigungssensors 1 um die dritte Achse 23 vor, so wird die Masse 5 aus dem in 1 dargestellten Zustand im Sinne eines Verschwenkens der Masse 5 um die dritte Achse 23 ausgelenkt. Diese Auslenkung wird von der dritten Detektionseinheit 21 erfasst.
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In 2 ist ein Drehbeschleunigungssensor 1 in einer Schnittansicht eines Drehbeschleunigungssensors gemäß 1 dargestellt. In 2 ist das Substrat 3, der Ankerpunkt 33, die zwei zweiten Elektroden 37 und die ringförmige Scheibe 5 dargestellt.
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In 3 ist eine schematische Darstellung einer Aufsicht eines Drehbeschleunigungssensors gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser beispielhaften Ausführungsform umfasst die zweite Detektionseinheit 17, zusätzlich zu zwei zweiten Elektroden 37, zwei vierte Elektroden 43. Hier sind die zwei vierten Elektroden 43 im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu der Haupterstreckungsebene 100 und sind auf einer den zweiten Elektroden 37 gegenüberliegenden Seite der Masse 5 angeordnet. Ebenso wie die zweite Detektionseinheit 17 zusätzliche vierte Elektroden 43 auf der dem Substrat 3 abgewandten Seite der Masse 5 umfasst, weist auch die dritte Detektionseinheit 21 zwei fünfte Elektroden 47 auf der dem Substrat 3 abgewandten Seite der Masse 5 auf. Hierbei sind die fünften Elektroden 47 ähnlich wie die vierten Elektroden 43 ausgebildet. Des Weiteren sind die fünften Elektroden 47 gegenüber den dritten Elektroden 39 ähnlich wie die vierten Elektroden 43 gegenüber den zweiten Elektroden 37 angeordnet. Ferner ist in 3 eine über den Ankerpunkt 33 an dem Substrat 3 befestigte Halterung 49 zum Halten der zwei vierten Elektroden 43 und der zwei fünften Elektroden 47 dargestellt. Die hier dargestellte Halterung 49 ist gegenüber Drehbeschleunigungen steif und mechanisch robust ausgebildet.
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In 4 ist ein Drehbeschleunigungssensor 1 in einer Schnittansicht gemäß 3 dargestellt. Hier ist besonders die relative Lage von den zwei zweiten Elektroden 37 und den zwei vierten Elektroden 43 gegenüber der Masse 5 erkennbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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