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Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit einem Substrat und einer elastisch an dem Substrat befestigten Testmasse, wobei eine Beschleunigung des Substrates zu einer messbaren Auslenkung der Testmasse führt und wobei die Testmasse bei einer einen Maximalwert überschreitenden Beschleunigung des Substrates an das Substrat anschlägt.
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1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf ein Beispiel eines derartigen Sensors. Der Beschleunigungssensor (nachfolgend kurz Sensor) 100 umfasst ein Substrat 12 und eine seismische Masse (nachfolgend Testmasse) 14. Die Testmasse 14 ist elastisch an dem Substrat 12 befestigt und damit relativ zu dem Substrat 12 zu einem gewissen Grad beweglich. Eine Beschleunigung des Substrates 12 führt zu einer messbaren Auslenkung der Testmasse 14 führt. Der Begriff Beschleunigungssensor umfasst auch Drehratensensoren.
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Wenn die Beschleunigung des Substrates 12 einen Maximalwert überschreitet, schlägt die Testmasse 14 an das Substrat 12 an. Dadurch kann es zu Beschädigungen sowohl am Substrat 12 als auch an der Testmasse 14 im Bereich der Anschlagstelle kommen.
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In dem gezeigten Beispiel erstrecken sich das Substrat 12 und die Testmasse 14 jeweils im Wesentlichen parallel zu einer Hauptebene XY (XY-Ebene). Das heißt, ihre Abmessungen in der Z-Richtung (der Richtung senkrecht zur XY-Ebene) sind deutlich geringer als ihre Abmessungen in der X-Richtung und in der Y-Richtung. Die Testmasse 14 ist über elastische Träger 16 an dem Substrat 12 elastisch aufgehängt. In dem Beispiel weist das Substrat 12 ein im Wesentlichen starres Lagerelement 18 auf. Das Lagerelement 18 kann zum Beispiel als eine sich senkrecht zur XY-Ebene erstreckende Säule oder Sockel ausgebildet sein. Die elastischen Träger 16 sind in dem Beispiel stabförmig und erstrecken sich von dem Lagerelement 18 zu entsprechenden Aufhängepunkten 20 der Testmasse 14. Das Substrat 12, die Testmasse 14 und die Träger 16 können einstückig ausgebildet sein. Zum Beispiel können sie aus einem Siliziumblock mithilfe eines lithografischen Verfahrens hergestellt werden. Die Masseverteilung der Testmasse 14 ist vorzugsweise so, dass der Schwerpunkt der Testmasse 14 in der Nähe des Lagerelementes 18 liegt, vorzugsweise innerhalb des Lagerelementes 18. Das von der Gravitationskraft erzeugte Drehmoment der Testmasse 14 bezüglich des Lagerelementes 18 kann damit minimiert werden.
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Der Beschleunigungssensor 10 umfasst des Weiteren ein oder mehrere Sensorelemente (in den Zeichnungen ohne Bezugszeichen), die jeweils ein von der Position der Testmasse 14 bezüglich des Substrates 12 abhängiges Messsignal liefern. Die Sensorelemente können zum Beispiel auf Veränderungen der elektrischen Kapazität zwischen der Testmasse 14 und des Substrates 12 ansprechen.
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In dem Beispiel ist die Testmasse 14 gleichzeitig in allen drei Richtungen (X, Y und Z) relativ zu dem Substrat 12 bewegbar. Damit ist die Beschleunigung in jeder der drei Richtungen X, Y und Z messbar.
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Die hier gezeigte Geometrie ist jedoch lediglich ein Beispiel. Die unten näher erläuterte Erfindung ist nicht auf flache Geometrien oder auf Geometrien, die eine dreidimensionale Bewegung der Testmasse erlauben, beschränkt. Vielmehr ist die Erfindung auf jede Art von Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 anwendbar.
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Der Beschleunigungssensor
10 in
1 ist ein Beispiel eines Einmassenschwingers. Ein Einmassenschwinger ist ein Beschleunigungssensor mit nur einer Testmasse. Die Testmasse kann je nach Ausführungsform genau einen, genau zwei oder (wie in dem gezeigten Beispiel) genau drei translatorische Freiheitsgrade haben. Ein weiteres Beispiel eines Einmassenschwingers ist in der US-Patentschrift
US 8,596,122 B2 (Classen et al.) beschrieben. Ein Mehrmassenschwinger hingegen ist ein Beschleunigungssensor mit zwei oder mehr Testmassen, die unabhängig voneinander beweglich sind. Die mit Bezug auf
1 beschriebene Struktur ist prinzipiell für jede Art von Beschleunigungssensor denkbar, nicht nur für Einmassenschwinger. Es versteht sich, dass die in der vorliegenden Anmeldung anhand des Beispiels eines Einmassenschwingers erläuterte Erfindung ebenso gut in einem Mehrmassenschwinger verwirklicht werden kann.
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Eine hohe Beschleunigung des Substrates 12 relativ zur Testmasse 14 führt zu einer starken Auslenkung der Testmasse 14 relativ zu dem Substrat 12. Damit geht eine starke elastische Verformung der Träger 16 einher. Um die Auslenkung bei Überbeanspruchung des Beschleunigungssensors (zum Beispiel beim Aufprall auf eine harte Oberfläche mit hoher Geschwindigkeit) zu begrenzen und Schäden (zum Beispiel Bruch der Träger) zu vermeiden, sind im Beschleunigungssensor 100 Strukturen ausgebildet, die die Testmasse aufhalten. Diese Strukturen werden als Anschlagelemente oder Anschlagstellen bezeichnet. Die Anschlagelemente sind fest mit dem Substrat 12 verbunden oder einstückig mit ihm ausgebildet. In dieser Anmeldung werden die Anschlagelemente als Teil des Substrates aufgefasst. In dem in 1 gezeigten Beispiel weist das Substrat 12 zwei Anschlagelemente 22 auf. In anderen Beispielen (nicht dargestellt) sind die Anschlagelemente des Beschleunigungssensors anders realisiert. Zum Beispiel kann ein Anschlagelement als ein die Testmasse zumindest teilweise umgebender Randbereich des Substrates ausgebildet sein.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1. 3 zeigt einen nochmals vergrößerten Ausschnitt. Das Anschlagelement 22 ist in dem Beispiel mit Noppen 24 versehen, denen jeweils eine entsprechende Noppe 26 der Testmasse 14 gegenüberliegt. Im Falle einer Überlast (zum Beispiel in Y-Richtung) schlagen eine oder mehrere der Noppen 24 der Testmasse 14 gegen die entsprechenden Noppen 26 des Anschlagelementes 22. Die Noppen bilden dann die Kontaktfläche zwischen Testmasse 14 und Substrat 12. Wenn die Überlast zu groß wird, kann die Noppe lokal abbrechen oder absplittern. Dadurch können Partikel freigesetzt werden, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen können oder die zu weiteren Schäden im Sensorkern führen können. Dies sollte vermieden werden. Es hat sich gezeigt, dass das Vergrößern der Kontaktflächen (größere Oberfläche der Noppen) das Problem nicht unbedingt löst, da aufgrund von Prozessschwankungen die Oberflächen nicht perfekt eben sind und sich damit im Allgemeinen eine lokale Kontaktzone abzeichnet, in der die Aufschlagkräfte gefährlich groß werden können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, Beschädigungen der Oberfläche der Testmasse oder des Substrates bei Anschlag der Testmasse zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besonders vorteilhafte Ausführungsformen.
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Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass zwischen dem Substrat und dem Anschlagelement ein elastisches Element zur Abfederung des Anschlags angeordnet ist. Die Testmasse wird damit beim Anschlag an das Anschlagelement weniger abrupt abgebremst.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das elastische Element Teil der Testmasse. Das elastische Element kann zum Beispiel an einem Grundkörper des Testmasse befestigt sein oder einstückig mit ihm ausgebildet sein.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das elastische Element Teil des Substrates oder an dem Substrat, nicht aber an der Testmasse, befestigt. Das elastische Element kann zum Beispiel an einem Grundkörper des Substrates befestigt sein oder einstückig mit ihm ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das elastische Element einen oder mehrere biegsame längliche Abschnitte auf. Die biegsamen länglichen Abschnitte können sich zum Beispiel jeweils parallel zu einem Oberflächenabschnitt des Anschlagelementes oder parallel zu einem Oberflächenabschnitt der Testmasse erstrecken.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das elastische Element ein freies Ende auf. Damit lässt sich eine verhältnismäßig weiche Federung realisieren.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform weist das elastische Element kein freies Ende auf. Damit lässt sich eine relativ harte Federung realisieren.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das elastische Element einen S-förmigen Abschnitt auf. Damit lässt sich eine besonders weiche Federung realisieren. Alternativ oder zusätzlich kann das elastische Element einen ringförmigen Abschnitt auf weisen. Bei vergleichbaren allgemeinen Abmessungen kann der ringförmige Abschnitt eine größere Federhärte haben als zum Beispiel ein S-förmiger Abschnitt.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Testmasse oder das elastische Element oder beide jeweils mit einer oder mehreren die Verbiegung des elastischen Elementes begrenzenden Noppen versehen. Die eine oder die mehreren die Verbiegung des elastischen Elementes begrenzenden Noppen können zum Beispiel auf einer dem elastischen Element zugewandten Seite eines Hauptkörpers der Testmasse angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere die Verbiegung des elastischen Elementes begrenzende Noppen auf einer dem Hauptkörper der Testmasse zugewandten Seite des elastischen Elementes angeordnet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Testmasse und das Anschlagelement jeweils eine oder mehrere Anschlagnoppen auf. Die Anschlagnoppen bewirken eine zusätzliche elastische Deformierung des elastischen Elementes und/oder des Anschlagelementes und damit eine verbesserte Dämpfung des Aufpralls.
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Gemäß einer Ausführungsform treffen die Anschlagnoppen der Testmasse und die Anschlagnoppen des Anschlagelementes beim Anschlagen der Testmasse an das Anschlagelement paarweise aufeinander. Jeder Anschlagnoppe des Anschlagelementes ist somit eine ihr entgegengesetzte Anschlagnoppe des elastischen Elementes zugeordnet. Die Anschlagnoppen bewirken paarweise eine zusätzliche elastische Deformierung des elastischen Elementes und/oder des Anschlagelementes und damit eine verbesserte Dämpfung des Aufpralls.
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Gemäß einer Ausführungsform sind das Substrat oder die Testmasse oder beide aus Silizium oder Siliziumoxid gefertigt. Diese Materialien eignen sich besonders zur Verarbeitung in lithografischen Verfahren.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche Elemente.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Beschleunigungssensor konventioneller Art.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 2.
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4 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich eines Beschleunigungssensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
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5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 4.
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6 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich eines Beschleunigungssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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7 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel einer Ausführungsform eines elastischen Elementes.
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4 und 5 zeigen schematisch ein Beispiel eines Beschleunigungssensors 400. Der Beschleunigungssensor 400 umfasst ähnlich wie der in 1 gezeigte Beschleunigungssensor 100 ein Substrat mit wenigstens einem Anschlagelement 22 und eine beweglich an dem Substrat befestigte Testmasse 14. Nachfolgend wird lediglich auf die Unterschiede des Beschleunigungssensors 400 gegenüber dem Beschleunigungssensor 100 eingegangen.
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Zwischen der Testmasse 14 und dem Anschlagelement 22 befindet sich ein elastisches Element 28, das den Anschlag der Testmasse 14 an das Anschlagelement 22 abfedert. Abfedern bedeutet elastisch abbremsen. Unter einem elastischen Element ist in dieser Anmeldung jede Struktur zu verstehen, die aufgrund ihrer äußeren geometrischen Gestalt einen besonders hohen Grad an Elastizität aufweist. Das elastische Element kann insbesondere elastisch biegsam sein. Elastisch biegsame Elemente lassen sich durch geeignete Formgebung auch aus relativ starren Marialien, zum Beispiel Silizium oder Siliziumoxid fertigen. Das elastische Element 28 bewirkt, dass im Falle eines Anschlagens der Testmasse 14 an das Anschlagelement 22 die Abbremsung der Testmasse 14 im Vergleich zu der Gestaltung gemäß 1 über ein längeres Zeitintervall hinweg erfolgt. Das elastische Element 28 wirkt als Stoßdämpfer zwischen dem Anschlagelement 22 und der Testmasse 14. Beim Aufprall der Testmasse 14 auf das Anschlagelement 22 wird das elastische Element 28 während des Abbremsintervalls elastisch verbogen, wobei kinetische Energie in Federenergie des elastischen Elementes umgewandelt wird. Die dabei auftretenden Kräfte zwischen der Testmasse 14 und dem Anschlagelement 22 wirken im Vergleich zu einer Gestaltung, in der kein vergleichbares elastisches Element vorgesehen ist, über ein längeres Zeitintervall hinweg und sind dementsprechend geringer. Beschädigungen an den Kontaktflächen zwischen der Testmasse 14 und dem Anschlagelement 22 können damit vermieden werden. In dem Beispiel ist das elastische Element 28 Teil des Anschlagelementes 22. Alternativ könnte das elastische Element 28 als Teil der Testmasse 14 ausgebildet sein.
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In dem Beispiel weisen die Testmasse 14 und das elastische Element 28 einander zugewandte Anschlagnoppen 24 bzw. 26 auf. Im Unterschied zu dem Beschleunigungssensor 100 in 1 sind bei dem Beschleunigungssensor 400 die Anschlagnoppen 26 nicht direkt auf der Oberfläche des Grundkörpers des Anschlagelementes 22, sondern auf einem der Testmasse 14 zugewandten Oberflächenabschnitt des elastischen Elementes 28 angeordnet. Die Anschlagnoppen 24 und 26 sind im Vergleich zu jenen in 1 deutlich geringeren Anschlagkräften ausgesetzt. Das Risiko, dass sie beim Anschlag beschädigt werden, ist entsprechend geringer. In einer nicht gezeigten Variante dieser Ausführungsform sind keine Anschlagnoppen vorgesehen.
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In dem gezeigten Beispiel weisen das elastische Element 28 und das Anschlagelement 22 zwei einander zugewandte Noppen 30 bzw. 32 auf. Die Noppen 30 und 32 begrenzen die Verbiegung des elastischen Elementes 28.
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Das elastische Element 28 ist in dem Beispiel im Wesentlichen balkenförmig oder blattförmig und erstreckt sich in etwa parallel zu einem Oberflächenabschnitt des Anschlagelementes 22 und einem Oberflächenabschnitt der Testmasse 14. Das elastische Element 28 weist ein festes erstes Ende 34 sowie ein freies zweites Ende 36 auf. Das erste Ende 34 ist unmittelbar mit einem Hauptkörper des Anschlagelementes 22 verbunden. Alternativ (nicht gezeigt) kann das erste Ende 34 des elastischen Elementes 28 unmittelbar mit einem Hauptkörper der Testmasse 14 (und nicht mit dem Hauptkörper des Anschlagelementes 22) verbunden sein; in diesem Fall ist das elastische Element 28 nicht Teil des Anschlagelementes 22, sondern Teil der Testmasse 14. Beim Aufprall der Testmasse 14 auf das Anschlagelement 22 wird das elastische Element 28 in Richtung des Anschlagelementes 22 verbogen, wobei die Noppen 32 und 30 sicherstellen, dass die Biegung des elastischen Elementes 28 einen maximalen Biegungsgrad nicht übersteigt. Die Noppen 30 und 32 definieren gemeinsam eine Kontaktfläche zwischen dem elastischen Element 28 und dem Hauptkörper des Anschlagelementes 22.
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Das elastische Element 28 und das Anschlagelement 22 sind in dem Beispiel aus einem Stück, zum Beispiel aus einem zusammenhängenden Siliziumstück. Man erkennt, dass das elastische Element 28 zusammen mit dem Anschlagelement 22 (und vielen oder allen weiteren Komponenten des Kerns des Beschleunigungssensors 400) in einem gemeinsamen Fertigungsschritt hergestellt werden kann.
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6 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Beschleunigungssensor 600 gemäß einer zweiten Ausführungsform. In dem Beispiel ist das Anschlagelement 22 ähnlich wie in dem Beschleunigungssensor 400 (siehe 4 und 5) mit einem elastischen Element 28 versehen, das den Anschlag der Testmasse 14 an das Anschlagelement 22 abfedert. Das elastische Element 28 ist hier Teil einer federnden Struktur, die zusätzlich ein in der Testmasse 14 ausgebildetes elastisches Element 38 umfasst. Beim Aufprall der Testmasse 14 auf das Anschlagelement 22 stoßen die elastischen Elemente 28 und 38 aneinander und federn den Aufprall gemeinsam ab. In anderen Worten sind in dem Beschleunigungssensor 600 sowohl die Testmasse 14 als auch das Anschlagelement 22 jeweils mit einem Stoßdämpfer versehen, wobei die beiden Stoßdämpfer (das heißt die beiden Federn 28 und 38) beim Zusammenprall gemeinsam elastisch deformiert werden. Damit gelingt eine besonders sanfte Abbremsung der Testmasse 14. Die beiden elastischen Elemente 28 und 38 sind in Reihe geschaltet. In anderen Ausführungsformen (nicht dargestellt) umfasst die federnde Struktur mehr als zwei in Reihe geschaltete elastische Elemente.
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In dem gezeigten Beispiel ist das elastische Element 38 im Wesentlichen balkenförmig oder blattförmig und weist zwei feste Enden 40 und 42 auf. Man erkennt, dass dem Fachmann eine Vielzahl von Gestaltungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen, um eine geeignete Federhärte der federnden Struktur zu erreichen. Zu den Gestaltungsmöglichkeiten gehören insbesondere die Anzahl der in Reihe geschalteten elastischen Elemente und die geometrische Gestalt der einzelnen elastischen Elemente. Die resultierende Federhärte ist hingegen weitgehend unabhängig davon, ob ein elastisches Element an der Testmasse 14 oder an dem Anschlagelement 22 befestigt ist. Zum Beispiel ist zu erwarten, dass eine Federstruktur, bei der das elastische Element 28 aus 6 nicht an dem Anschlagelement 22, sondern an der Testmasse 14 befestigt ist, eine ähnliche Härte haben wird wie die in 6 gezeigte Federstruktur.
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Eine der Testmasse 14 zugewandte Seite des elastischen Elementes 38 oder eine dem elastischen Element 38 zugewandte Seite der Testmasse 14 oder beide Seiten können mit Noppen 44 beziehungsweise 46 versehen sein, die die Verbiegung des elastischen Elementes 38 begrenzen. Das im Hinblick auf die Noppen 30 und 32 oben Gesagte gilt entsprechend auch für die Noppen 44 und 46.
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7 zeigt schematisch eine Ausführungsform, in der das elastische Element 28 zwei zueinander in Stoßrichtung versetzte längliche Abschnitte 48 und 50 aufweist. Eine Vielzahl anderer Profile ist denkbar. Zum Beispiel kann das elastische Element 28 ein C-förmiges, S-förmiges oder ringförmiges Profil haben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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