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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Inertialsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Inertialsensoren sind allgemein bekannt. Sie werden verwendet, um eine Beschleunigung oder eine Drehrate bezüglich einer oder mehrerer Achsen parallel oder senkrecht zu der Haupterstreckungsebene des Substrats zu messen. Derartige Inertialsensoren bestehen üblicherweise aus mehreren beweglichen Massen, die mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die Art der Kopplung ist entscheidend, da durch sie die Signalqualität bestimmt wird und Störsignale mehr oder weniger gut unterdrückt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Inertialsensor vorzuschlagen, welcher im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Inertialsensoren einfach aufgebaut ist, Störsignale, insbesondere parallel zu der Haupterstreckungsebene, weitgehend unterdrückt und sowohl zur Detektion einer Drehrate und/oder Beschleunigung parallel als auch senkrecht zu der Haupterstreckungsebene einsetzbar ist.
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Der erfindungsgemäße Inertialsensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Inertialsensor flexibel einsetzbar ist, insbesondere zur Detektion von einer Drehrate und/oder einer Beschleunigung sowohl parallel als auch senkrecht zu der Haupterstreckungsebene, einfach aufgebaut ist und insbesondere gegenüber durch parallele Störmoden hervorgerufene Störsignale unempfindlich ist. Auch weist der Inertialsensor gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise im Vergleich zum Stand der Technik wenig träge Masse auf, was sich ebenfalls vorteilhaft auf mögliche Störsignale auswirkt. Durch wenigstens eine Substratanbindungsstelle ist der Inertialsensor zudem vorteilhafterweise stressunempfindlich, d.h. der Inertialsensor ist unempfindlich gegenüber Verbiegungen des Substrats um eine Achse senkrecht zu der Haupterstreckungsebene.
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Bevorzugt ist der Inertialsensor als Mikrosystem, insbesondere als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Inertialsensor ein einachsiger Inertialsensor, d.h. er ist zur Detektion einer Drehrate um genau eine Achse bzw. zur Detektion einer Beschleunigung entlang genau einer Achse vorgesehen. Ganz besonders bevorzugt ist das Substrat aus einem Halbleitermaterial, insbesondere aus einem Siliziummaterial, gefertigt. Die Haupterstreckungsrichtung ist insbesondere parallel zu einer Oberfläche des Substrats vorgesehen. Vorzugsweise bilden die Koppelelemente zusammen eine Koppelstruktur. Wenn also im Folgenden von einer Koppelstruktur die Rede ist, ist damit vorzugsweise die Gesamtheit und/oder Anordnung der Koppelemente gemeint.
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Unter einer Verschwenkung im Sinne dieser Anmeldung soll insbesondere eine relative Drehung verstanden werden. Zwei zueinander verschwenkte Elemente sollen dabei vorzugsweise einen tatsächlichen oder virtuellen Winkel einschließen, wobei sich die Größe des Winkels im Laufe der Bewegung, d.h. der Verschwenkung, ändert.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Koppelelemente über genau eine, insbesondere zentral angeordnete, Substratanbindungsstelle mechanisch mit dem Substrat gekoppelt sind. Die Kopplung erfolgt dabei besonders bevorzugt über Federstrukturen.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass der Inertialsensor besonders unempfindlich gegenüber Substratverbiegungen ist.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Inertialsensor genau zwei bewegliche Massen aufweist.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass der Inertialsensor wenig träge Masse umfasst und daher unempfindlicher gegenüber Störsignalen ist.
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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 erste Koppelelement, das zweite Koppelelement und das dritte Koppelelement derart angeordnet sind, dass bei einer Auslenkung der Massen aus der Ruhelage die erste Haupterstreckungsrichtung parallel zu der dritten Haupterstreckungsrichtung angeordnet bleibt. Besonders bevorzugt ist das erste Koppelelement an eine der beiden Massen und an das zweite Koppelelement angebunden, wobei das dritte Koppelelement an eine der beiden Massen und an das zweite oder das erste Koppelelement angebunden ist. Ganz besonders bevorzugt ist das zweite Koppelelement zwischen dem ersten und dem zweiten Koppelelement angeordnet.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass eine z-förmige Gelenkstruktur realisiert wird, wodurch Störmoden effektiv unterdrückt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Inertialsensor ein viertes Koppelelement umfasst, wobei das vierte Koppelelement eine vierte Haupterstreckungsrichtung aufweist, wobei das erste Koppelelement, das zweite Koppelelement, das dritte Koppelelement und das vierte Koppelelement derart angeordnet sind, dass bei einer Auslenkung der Massen aus der Ruhelage eine Verschwenkung der dritten Haupterstreckungsrichtung gegenüber der vierten Haupterstreckungsrichtung erfolgt, wobei insbesondere die erste Haupterstreckungsrichtung parallel zu der dritten Haupterstreckungsrichtung angeordnet bleibt und die zweite Haupterstreckungsrichtung parallel zu der vierten Haupterstreckungsrichtung angeordnet bleibt. Besonders bevorzugt sind die Koppelelemente rautenförmig angeordnet, wobei insbesondere die Massen an zwei gegenüberliegenden Ecken der Raute angebunden sind. Der Fachmann versteht dabei, dass hiermit eine rautenförmige Koppelstruktur vorgeschlagen wird.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die durch die Koppelelemente gebildete Koppelstruktur einerseits Torsionsbewegungen um eine Mittelachse durchführen kann und zudem Parallelmoden, d.h. Störmoden weitgehend unterdrückt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koppelelemente unterschiedliche Längen aufweisen, wobei vorzugsweise wenigstens ein Koppelelement eine doppelt so große Länge wie ein anderes Koppelement aufweist, wobei insbesondere diese beiden Koppelelemente verbunden sind. Besonders bevorzugt sind die Koppelelemente kreuzförmig und/oder scherengelenksförmig angeordnet und/oder gekoppelt.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass keine unerwünschten Störmoden quer zu der Bewegungsrichtung der beiden Massen auftreten. Besonders bevorzugt sind mehrere hintereinander angeordnete und entsprechend verbundene kreuzförmige Koppelstrukturen vorgesehen, so dass vorteilhaft auch größere Abstände zwischen den zu koppelnden Massen überbrückt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koppelelemente in ihrer Mitte und/oder an ihren Enden mit einem anderen der Koppelelemente verbunden sind. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass wenigstens an einem Verbindungspunkt eine Substratanbindungsstelle vorgesehen ist.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die oben beschriebenen scheren- und/oder kreuzförmige Koppelstrukturen ermöglicht werden, die besonders robust gegenüber parallelen Störmoden quer zur Bewegungsrichtung der Massen sind. Durch die zentrale Substratanbindungsstelle ist es vorteilhaft möglich, dass die Koppelelemente im Wesentlichen durch wenige, zentral angeordnete Substratanbindungsstellen gelagert werden und somit der Inertialsensor besonders unempfindlich gegenüber Substratverbiegungen ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koppelelemente balkenförmig vorgesehen sind, insbesondere als Biegebalken, Torsionsbalken und/oder Schub-Zug-Balken.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass die Koppelelement starr ausgebildet sind, aber hinsichtlich bestimmter Achsen und/oder Verformungen unterschiedlich starr sind. Beispielsweise kann ein Koppelelement starr gegenüber einer Torsion sein, aber weich gegenüber einer Biegung entlang seiner Haupterstreckungsrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Koppelelement entlang seiner Haupterstreckungsrichtung einen veränderlichen Querschnitt, insbesondere eine veränderliche Dicke, aufweist. Besonders bevorzugt weist ein Koppelelement in seiner Mitte eine höhere Dicke als an wenigstens einem Ende auf.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass das Biegeverhalten des Koppelelements gezielt einstellbar ist. So kann beispielsweise ein Durchbiegen des Koppelements verhindert werden, während eine ausreichende geringe Biegesteifigkeit an den Anbindungsstellen, d.h. den Enden, für die erfindungsgemäßen Verschwenkungen gewährleistet wird. Insbesondere können somit vorteilhafterweise definierte Verformungsstellen bereitgestellt werden, wodurch das Nichtlinearitätsverhalten des Inertialsensors verbessert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Inertialsensor wenigstens ein Antriebsmittel zum Antreiben der Massen zu einer Bewegung entlang einer zweiten Richtung aufweist, wobei die erste Richtung von der zweiten Richtung verschieden ist.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass der Inertialsensor ein Drehratensensor ist. Dabei werden insbesondere die Massen zu einer Bewegung parallel zu der zweiten Richtung angetrieben, wobei die zweite Richtung beispielsweise parallel zu der Haupterstreckungseben angeordnet ist. Tritt nun eine Drehrate um eine Achse senkrecht zu der Haupterstreckungsebene auf, werden die Massen durch die Corioliskraft entlang der ersten Richtung abgelenkt, was wiederum durch das Detektionsmittel detektiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Richtung und die zweite Richtung parallel zu der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind, oder dass die erste Richtung parallel und die zweite Richtung senkrecht zu der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind, oder dass die erste Richtung senkrecht und die zweite Richtung parallel zu der Haupterstreckungsebene vorgesehen sind.
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Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, einen vielseitigen Inertialsensor bereitzustellen, der in verschiedenen Konfigurationen Drehraten sowohl in der Haupterstreckungsebene als auch senkrecht dazu detektieren kann.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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2 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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3 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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4 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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5 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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6 ein Koppelelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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7a und 7b eine Torsionsfeder zur Anbindung eines Koppelelementes an eine Substratanbindungsstelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Ansicht von unten und in einer schematischen Seitenansicht.
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8 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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9 ein Koppelelement mit einer Substratanbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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10 ein Koppelelement mit einer Substratanbindung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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11 das Koppelelement mit der Substratanbindung aus 10 in einer Seitenansicht,
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12a und 12b zwei Koppelelemente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Detailansicht,
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13 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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14 einen Teil eines Inertialsensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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15 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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16 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht,
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17 einen beispielhaften Verlauf einer Federsteifigkeit von Koppelelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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18 einen beispielhaften Verlauf einer Federsteifigkeit von Koppelelementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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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 Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Bei dem Inertialsensor 1 kann es sich dabei um einen Drehratensensor und/oder einen Beschleunigungssensor handeln. Der Inertialsensor 1 umfasst ein hier nicht dargestelltes Substrat mit einer Haupterstreckungsebene, die parallel zu der Zeichenebene angeordnet ist. An diesem Substrat sind zwei Massen 2, 2‘ über Federn 5 beweglich aufgehängt. Die Federn 5 ermöglichen dabei zum Beispiel eine Antriebsbewegung der Massen 2, 2‘, wie sie durch ein Antriebsmittel in einem Drehratensensor den Massen 2, 2‘ aufgeprägt wird. Die Federn sind entsprechend geeignet ausgebildet, also insbesondere weich parallel zu der Bewegungsrichtung der Massen 2, 2‘ und steif gegenüber Bewegungen senkrecht zu dieser Bewegungsrichtung. Die Massen 2, 2‘ sind dabei über eine Koppelstruktur mechanisch gekoppelt, wobei die Koppelstruktur durch mehrere, hier vier, Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ gebildet wird, die als Schub-Zug-Biegebalken ausgebildet sind.
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Das erste Koppelelement 8 weist dabei eine erste Haupterstreckungsrichtung auf, das zweite Koppelelement 8‘ weist eine zweite Haupterstreckungsrichtung auf, das dritte Koppelelement 8‘‘ weist eine dritte Haupterstreckungsrichtung auf und das vierte Koppelelement 8‘‘‘ weist eine vierte Haupterstreckungsrichtung auf. Diese Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ sind gemäß der dargestellten Ausführungsform rautenförmig angeordnet. Das erste Koppelelement 8 und das zweite Koppelelement 8‘ sind über eine Anbindung 4, zum Beispiel eine geeignete Federstruktur, an die Masse 2 gekoppelt und das dritte Koppelelement 8‘‘ sowie das vierte Koppelelement 8‘‘‘ sind über eine Anbindung 4 an die andere Masse 2‘ gekoppelt. An den beiden Ecken der Raute die nicht mit den Massen 2, 2‘ verbunden sind, also den Verbindungsstellen des ersten und vierten Koppelelements 8, 8‘‘‘ bzw. des zweiten und dritten Koppelelements 8‘, 8‘‘, sind die Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ über Substratanbindungsstellen 3, 3‘ mechanisch an das Substrat gekoppelt. Diese Kopplung erfolgt hier über an den Koppelelementen 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ angeordnete Torsionsfedern 6, die eine Torsionsbeweglichkeit der Koppelstruktur aus der Haupterstreckungsebene heraus ermöglicht, d.h. eine Drehung um eine Achse parallel zu der Haupterstreckungsebene.
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Die Torsionsfedern 6 sind wiederum an weitere Federn 7, die hier als Doppel-U-Federn ausgeführt sind, gekoppelt, die wiederum die direkte Anbindung an das Substrat an den Substratanbindungsstellen 3, 3‘ gewährleisten.
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Die Bewegungen der Massen 2, 2‘ werden durch Detektionsmittel erfasst, die hier und im Folgenden aus Gründen der Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt sind. Die Abbildungen konzentrieren sich auf die neuartige Anordnung der Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘.
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In 1 sind ferner Pfeile eingezeichnet, die Bewegungsrichtungen symbolisieren. So ermöglichen die Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ eine gegenläufige Bewegung der Massen 2, 2‘ aufeinander zu bzw. voneinander weg. Für den dargestellten Fall, dass sich die Massen 2, 2‘ parallel zu der Haupterstreckungsebene aufeinander zu bewegen, ergibt sich eine Bewegung der Koppelelemente bzw. der Koppelstruktur senkrecht zu der Bewegung der Massen 2, 2‘ und ebenfalls parallel zu der Haupterstreckungsebene. Durch die federnde Anbindung der Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ ist eine solche Bewegung möglich.
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Dabei werden die Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ derart bewegt, dass die erste Haupterstreckungsrichtung gegenüber der zweiten Haupterstreckungsrichtung und der vierten Haupterstreckungsrichtung, sowie die zweite Haupterstreckungsrichtung gegenüber der dritten Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung gegenüber der vierten Haupterstreckungsrichtung verschwenkt wird. D.h. die zwischen den genannten Haupterstreckungsrichtungen eingeschlossenen Winkel verändern sich. Hingegen bleiben die erste Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung, sowie die zweite Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung parallel zueinander.
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In 2 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in 1 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Auf Grund der Torsionsfedern 6 können die Massen 2, 2‘ und die Koppelstruktur, d.h. die Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘, auch Torsionsbewegungen um die gestrichelt dargestellte Achse ausführen, die parallel zu der Haupterstreckungsebene angeordnet ist. Die Torsionsbewegung erfolgt dabei hier derart, dass die rechte Masse 2‘ aus der Zeichenebene heraus bewegt wird, während die linke Masse 2 in die Zeichenebene hinein bewegt wird.
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In 3 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier ist beispielhaft dargestellt, wie bei Anliegen einer Querbeschleunigung durch die Anordnung der Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ eine parallele Störmode unterdrückt wird.
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In 4 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Sind die anliegenden Querbeschleunigungen sehr groß, so kann dies zu einer Verkippung der Doppel-U-Federn 7 wie dargestellt führen, wodurch die parallele Störmode nicht mehr so effektiv unterdrückt wird.
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In 5 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Um die Unterdrückung von (parallelen) Störmoden zu verbessern, umfasst der Inertialsensor 1 gemäß der hier dargestellten Ausführungsform vier Substratanbindungsstellen 3, 3‘, 3‘‘, 3‘‘‘ für die Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘. Diese sind im Wesentlichen symmetrisch angeordnet und wie zuvor beschrieben aufgebaut, d.h. die Substratanbindung erfolgt jeweils über eine Doppel-U-Feder 7, die wiederum über eine Torsionsfeder 6 an die Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ angebunden ist. Hierdurch wird die Steifigkeit der Koppelstruktur erhöht und eine Verkippung der Federn 7 wie in 4 vermieden.
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In 6 ist ein Koppelelement 8 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Wie bereits in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist das Koppelelement 8 als Schub-Zug-Biegebalken ausgeführt. Um jedoch eine Verbiegung des Koppelelements 8 zu vermeiden, ist das Koppelelement 8 derart vorgesehen, dass es bezüglich der Haupterstreckungsrichtung in der Mitte eine größere Dicke, also einen breiteren Querschnitt, aufweist. Eine Verbiegung bei Schubbelastung wird somit vermieden. Dadurch, dass zugleich die Enden des Koppelelements 8, an denen das Koppelelement 8 mit anderen Koppelelementen 8‘, 8‘‘‘ verbunden ist, relativ zu der Mitte dünn ausgebildet sind, wird vermieden, dass die Koppelstruktur zu steif wird. Dies ist wichtig, um das Nichtlinearitätsverhalten des Inertialsensors 1 kontrolliert zu beeinflussen. Eine rautenförmige Koppelstruktur aus Koppelelementen 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ wie dargestellt weist damit insgesamt ein stärker nicht-lineares Verhalten auf als eine bekannte U-förmige Feder.
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Somit kann der Querschnitt der Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ in Abhängigkeit der im konkreten Anwendungsfall gewünschten Nutzmodenfrequenzen bzw. nicht gewünschten Störmodenfrequenzen angepasst werden. Auch ist es möglich, die Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ relativ weich vorzusehen und die bezüglich der gewünschten Nutzmodenfrequenz notwendige Steifigkeit durch die übrigen Federn 6, 7 des Inertialsensors 1 bereitzustellen.
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In den 7a und 7b sind eine Torsionsfeder 6 zur Anbindung eines Koppelelementes 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ an eine Substratanbindungsstelle 3, 3‘ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Ansicht von unten und in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Dabei zeigt 7a die schematische Ansicht von unten. Wie bezüglich 6 ausgeführt, ist es von entscheidender Bedeutung die Steifigkeit der verschiedenen Elemente des Inertialsensors 1 passend einzustellen. Die Torsionssteifigkeit der Torsionsfedern 6 kann dabei ähnlich zu der zuvor erläuterten Biegesteifigkeit der Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ durch die Wahl ihrer Querschnitte gesteuert werden.
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Die Torsionsfeder 6 ist hier als Torsionsbalken ausgebildet. Durch eine geeignete Wahl der Abmessungen des Torsionsbalkens wird die Torsionssteifigkeit beeinflusst. Üblicherweise werden Inertialsensoren 1 in Schichtprozessen hergestellt. Ein Einschichtprozess kann dabei lediglich einen bestimmten konstanten Querschnitt erzeugen. Im Falle eines Mehrschichtprozesses ist es jedoch möglich, wie dargestellt und insbesondere in 7b gut zu erkennen, eine Aussparung in der Mitte des Torsionsbalkens vorzusehen, wodurch die Torsionssteifigkeit verringert wird.
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In 8 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier sind jedoch nur drei Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘ vorgesehen, wobei das erste Koppelelement 8 an einem Ende mit der Masse 2 direkt oder über Umlenkungsstrukturen 11 und an dem anderen Ende mit dem zweiten Koppelelement 8‘ verbunden ist. Dieses weist in seiner Mitte eine Substratanbindungsstelle 3 auf und ist an dem Ende, welches dem zur Verbindung mit dem ersten Koppelelement 8 vorgesehenen Ende gegenüberliegt, mit dem dritten Koppelelement 8‘‘ verbunden. Das dritte Koppelelement 8‘‘ ist wiederum an dem anderen Ende direkt oder indirekt mit der anderen Masse 2‘ verbunden.
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Die Koppelstruktur ist damit im Wesentlichen Z-förmig ausgebildet. Die Verbindung zwischen den Koppelelementen 8, 8‘, 8‘‘ ist dabei in Form eines Gelenkes ausgebildet. Dies erfordert insbesondere einen Mehrschichtprozess bei der Herstellung des Inertialsensors 1. Bei einer Auslenkung der Massen 2, 2‘ aus einer Ruhelage heraus wird dabei die erste Haupterstreckungsrichtung des ersten Koppelelements 8 gegenüber der zweiten Haupterstreckungsrichtung des zweiten Koppelelements 8‘ verschwenkt. Ebenso wird die zweite Haupterstreckungsrichtung gegenüber der dritten Haupterstreckungsrichtung des dritten Koppelelements 8‘‘ verschwenkt. Erneut bleiben die erste Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung dabei parallel zueinander angeordnet.
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Dadurch, dass lediglich eine mittig angeordnete Substratanbindungsstelle vorgesehen ist, ist der Inertialsensor 1 gemäß der dargestellten Ausführungsform besonders unempfindlich gegenüber Substratverbiegungen.
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In 9 ist ein Koppelelement 8‘ mit einer Substratanbindung 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in 8 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier ist das zweite Koppelelement 8‘ dargestellt, wobei abweichend zu der in 8 dargestellten Ausführungsform jedoch zwei Substratanbindungsstellen 3, 3‘ vorgesehen sind. Dadurch, dass sie symmetrisch und mittig bezüglich der Gesamtstruktur vorgesehen sind, ist der Inertialsensor 1 vorteilhafterweise immer noch weitgehend unempfindlich gegenüber Substratverbiegungen, dafür ist jedoch die Koppelstruktur stabiler angebunden.
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In 10 ist ein Koppelelement 8‘ mit einer Substratanbindung 3 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in 8 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier ist nur eine Substratanbindungsstelle 3 vorgesehen, wobei jedoch auf Grund des Herstellungsprozesses als (Mehr-)Schichtprozess eine Zwischenschicht 9 erforderlich ist, die als Anbindung zwischen der spiralförmigen Feder, die die Anbindung an das Substrat vermittelt, und dem zweiten Koppelelement 8‘ fungiert.
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In 11 ist das Koppelelement 8‘ mit der Substratanbindung 3 aus 10 in einer Seitenansicht dargestellt. Hier ist insbesondere die Zwischenschicht 9 gut zu erkennen sowie der Schichtaufbau der Substratanbindungsstelle 3 und dem zweiten Koppelelement 8‘.
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In den 12a und 12b sind zwei Koppelelemente 8, 8‘ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Detailansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in 8 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Gezeigt sind dabei die in 8 dargestellte Verbindung zwischen dem ersten Koppelelement 8 und dem zweiten Koppelelement 8‘ im Detail. In 12a sind das erste Koppelelement 8 und das zweite Koppelelement 8‘ dabei der Übersichtlichkeit halber beabstandet dargestellt. Deutlich sind die sichelförmig gekrümmten Gelenkabschnitte 10, 10‘ zu erkennen. Auf Grund des zugrundeliegenden Schichtprozesses werden diese Gelenkabschnitte 10, 10‘ wie in 12b dargestellt durch eine Zwischenschicht 9 fest verbunden, die dementsprechend als Verbindungsschicht fungiert. Dadurch wird eine definierte scharnierartige Gelenksbewegung ermöglicht.
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In 13 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Hierbei sind sechs Koppelelemente 8. 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘, 8‘‘‘‘, 8‘‘‘‘‘ kreuzartig angeordnet, so dass ein Teleskopgelenk realisiert wird. Im Wesentlichen entspricht diese Ausführungsform damit der Ausführungsform aus 1 mit einer rautenförmigen Koppelstruktur. Hier ist jedoch im Kreuzungspunkt des dritten Koppelelements 8‘‘ mit dem vierten Koppelelement 8‘‘‘ zentral eine Substratanbindungsstelle 3 vorgesehen. Das dritte Koppelelement 8‘‘ und das vierte Koppelelement 8‘‘‘ sind dabei doppelt so lang wie das erste Koppelelement 8, das zweite Koppelelement 8‘, das fünfte Koppelelement 8‘‘‘‘ und das sechste Koppelelement 8‘‘‘‘‘ ausgebildet. Die Koppelstruktur und damit auch der Inertialsensor 1 ist im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut. Durch die dargestellte Ausführungsform werden insbesondere unerwünschte Kräfte senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Massen 2, 2‘ effektiv unterdrückt.
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In 14 ist ein Teil eines Inertialsensors 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in 13 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier wird die Koppelstruktur durch Hinzufügen weiterer Koppelelemente 8‘‘‘‘, 8‘‘‘‘‘ verlängert. Durch eine solche Aneinanderreihung von kreuzförmigen Koppelstrukturen, bzw. kreuzförmig angeordneten Koppelelementen 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘, 8‘‘‘‘, 8‘‘‘‘‘ können vorteilhafterweise größere Abstände zwischen den zu koppelnden Massen 2, 2‘ überbrückt werden. Hier ist nur eine Substratanbindungsstelle 3 dargestellt, selbstverständlich können jedoch bei größeren Strukturen auch mehrere Substratanbindungsstellen 3, 3‘ vorgesehen sein.
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In 15 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Der Inertialsensor 1 umfasst hier vier Massen 2, 2‘, 2‘‘, 2‘‘‘. Um die erfindungsgemäße Koppelstruktur bzw. die erfindungsgemäße Anordnung von Koppelelementen 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ beibehalten zu können, sind die Massen indirekt über eine möglichst steife Umlenkstruktur 11 und U-förmige Federn 12 mit den Koppelelementen 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ gekoppelt. Da der Aufbau des Inertialsensors 1 im Wesentlichen symmetrisch ist, wird der Einfachheit halber im Folgenden lediglich die linke Seite der Struktur erläutert.
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Die linke Hälfte der Struktur entspricht im Wesentlichen der in 1 dargestellten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass die Kopplung der Massen 2, 2‘, 2‘‘, 2‘‘‘ indirekt über die Umlenkstruktur 11 erfolgt. Ansonsten entspricht die Anordnung der Koppelelement 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ im Wesentlichen der in 1 dargestellten Anordnung, ist jedoch im Vergleich dazu in der vorliegenden Darstellung um 90° gedreht. Erneut sind die Koppelelemente 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ über zwei Substratanbindungsstellen 3, 3‘ an das Substrat angebunden. Die Anbindung an die Substratanbindungsstellen 3, 3‘ erfolgt dabei wie zuvor beschrieben über Torsionsfedern 6 und Doppel-U-Federn 7.
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Zur zusätzlichen Stabilisierung und zur Unterdrückung von parallelen Störmoden für den Fall, dass die beiden oberen Massen 2, 2‘ und die beiden unteren Massen 2‘‘, 2‘‘‘ sich jeweils in entgegengesetzte Richtungen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene bewegen, ist die mittlere Substratanbindungsstelle 3‘ zudem über weitere Kopplungselemente 8‘‘‘‘, 8‘‘‘‘‘ mit der Umlenkstruktur 11 verbunden
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In 16 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Ansicht dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Ausführungsform im Wesentlichen der in 16 dargestellten Ausführungsform, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Hier sind die mit einem Inertialsensor 1 gemäß der dargestellten Ausführungsform möglichen Bewegungsarten dargestellt. Insbesondere ist hier der Betrieb als Drehratensensor dargestellt, mit durch nicht dargestellte Antriebsmittel erzwungene Bewegungen parallel zu der Haupterstreckungsebene und resultierenden durch ebenfalls nicht dargestellte Detektionsmittel detektierte Bewegungen senkrecht zu der Haupterstreckungsebene. Die dargestellte Ausführungsform ist dabei besonders vorteilhaft, da zusätzlich eine parallele Störmode unterdrückt wird, bei der sich die linke, obere Masse 2 und die linke untere Masse 2‘‘ in eine andere Richtung als die übrigen beiden Massen 2‘, 2‘‘‘ bewegen.
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In 17 ist ein beispielhafter Verlauf einer Federsteifigkeit von Koppelelementen 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei ist insbesondere die Federsteifigkeit zweier rautenförmiger Koppelstrukturen wie in den 15 und 16 dargestellt gezeigt. Jede Kurve stellt die Federsteifigkeit einer rautenförmigen Anordnung von Koppelelementen 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ dar. Es ist sofort ersichtlich, dass die Federsteifigkeiten einen nicht-linearen Verlauf aufweisen. Die unteren Bereiche der Kurve entsprechen einer Schubbelastung und die oberen Bereiche einer Zugbelastung. Bei einer Zugbelastung wird eine derartige rautenförmige Koppelstruktur steifer, während sie bei einer Kompression, also einer Schubbelastung weicher wird. Die Einheiten sind dabei willkürlich gewählt.
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In 18 ist ein beispielhafter Verlauf einer Federsteifigkeit von Koppelelementen 8, 8‘, 8‘‘, 8‘‘‘ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dabei entspricht die dargestellte Kurve der Überlagerung der Kurven aus 17. Gerade im Vergleich zu den Kurven aus 17 zeigt sich ein Kompensationseffekt bezüglich der Nichtlinearität. Erneut sind die Einheiten willkürlich gewählt. Im Vergleich zu den einzelnen Kurven aus 17 zeigt sich, dass die Steigung der Gesamtfedersteifigkeit der Koppelstruktur etwa um den Faktor 4 kleiner ist als die Steigung der Federsteifigkeiten der einzelnen rautenförmigen Koppelstrukturen.
