DE102017218595A1 - Mikromechanische Feder für ein Sensorelement - Google Patents

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Abstract

Mikromechanische Feder (100) für ein Sensorelement, aufweisend:wenigstens zwei entlang einer Sensierachse ausgebildete Federabschnitte (10, 20);wobei die wenigstens zwei Federabschnitte (10, 20) jeweils eine definierte Länge (L1, L2) aufweisen; und

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Feder für ein Sensorelement. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für ein Sensorelement.
  • Stand der Technik
  • Die Auslegung von Torsionsfedern in z- bzw. xz-Beschleunigungssensoren (als drehbare Wippe) erfolgt heutzutage entweder mit einem einfachen Balken, wobei eine Länge und eine Breite als Auslegungsfreiheitsgrade verwendet werden oder als eine Leiterfeder (zwei mit Querbalken verbundene Längsbalken), wenn zusätzlich zu den üblichen Anforderungen (Anforderungen betreffend Detektionsempfindlichkeit, usw.) Vibrationsanforderungen zu erfüllen sind.
  • Für den Fall eines einfachen Balkens wird der geforderte Nutzmodus (Detektionsmodus) durch eine Länge und eine Breite eingestellt, was dazu führt, dass Lagen von anderen Moden vorgegeben sind. Somit ist eine Verschiebung des Störmodus ohne Verschiebung des Nutzmodus und umgekehrt praktisch nicht möglich.
  • Aktuell besteht eine Lösung für dieses Problem darin, sehr kurze und dünne mikromechanische Federn zu verwenden, was zwangsläufig zu einer großen Fertigungsstreuung (starke Abhängigkeit von einem Kantenverlust, d.h. Abweichungen von tatsächlichen gefertigten Abmessungen gegenüber geplanten Abmessungen aufgrund von Fertigungstoleranzen) führt.
  • US 2008/0141774 A1 offenbart einen Beschleunigungssensor, der in eine Richtung sensitiv ist, wobei Messungen aufgrund von senkrecht zu dieser Richtung wirkenden Störbeschleunigungen kaum verfälscht werden. Zu diesem Zweck weisen Federn des Beschleunigungssensors zwei Biegebalken auf, die mit Querbalken verbunden sind.
  • DE 10 2006 051 329 A1 offenbart einen Z-Beschleunigungssensor nach dem Wippenprinzip, der eine verringerte Störempfindlichkeit durch konstruktiv bedingte Fehlauslenkungen aufweist. Zu diesem Zweck wird eine Mehrfachanordnung mehrerer parallel verlaufender Torsionsfedern vorgeschlagen, wodurch eine Biegesteifigkeit der Anordnung gegenüber der Biegesteifigkeit einer Einzelfeder deutlich erhöht ist.
  • US 2014/0331770 A1 offenbart eine mechanische Verbindung, die einen Drehpunkt für MEMS- und NEMS-mechanische Strukturen bildet.
  • US 2013/0192362 A1 offenbart eine vibrationstolerante Beschleunigungssensor-Struktur.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte mikromechanische Feder für ein Sensorelement bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einer mikromechanischen Feder für ein Sensorelement, aufweisend:
    • - wenigstens zwei entlang einer Sensierachse ausgebildete Federabschnitte;
    • - wobei die wenigstens zwei Federabschnitte jeweils eine definierte Länge aufweisen; und
    • - wobei die wenigstens zwei Federabschnitte definiert unterschiedliche Breiten aufweisen.
  • Vorteilhaft wird auf diese Art und Weise ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die mikromechanische Feder bereitgestellt, indem auch eine Empfindlichkeit betreffend Störmodus beeinflussbar ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Erfindung gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für ein Sensorelement, aufweisend den Schritt:
    - Ausbilden von wenigstens zwei Federabschnitten, wobei die wenigstens zwei Federabschnitte derart ausgebildet werden, dass ein erster Federabschnitt mit einer ersten Länge zu einem zweiten Federabschnitt mit einer zweiten Länge definiert unterschiedlich breit ausgebildet wird.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen mikromechanischen Feder sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Feder zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens zwei Federabschnitte derart ausgebildet sind, dass in einem Frequenzraum ein Detektionsmodus der mikromechanischen Feder von einem Störmodus der mikromechanischen Feder definiert beabstandet ist. Dadurch lässt sich vorteilhaft eine gewünschte Unempfindlichkeit gegenüber dem Störmodus bereitstellen, was für bestimmte Sensoren von Vorteil ist. Auf diese Weise wird ein modenoptimiertes Federdesign realisiert, welches günstige Betriebseigenschaften des Sensorelements bewirkt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Feder ist dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Federabschnitt der Detektionsmodus und mit dem zweiten Federabschnitt der Störmodus der mikromechanischen Feder beeinflussbar ist. Dadurch können mit den verschiedenen Federabschnitten jeweils bestimmte Moden beeinflusst werden, was eine hohe Designvielfalt der mikromechanischen Feder ermöglicht.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Feder ist dadurch gekennzeichnet, dass Größenabmessungen der Feder mittels Simulationsverfahren ermittelt werden. Auf diese Weise können bewährte Entwicklungstools zum Auslegen der mikromechanischen Feder verwendet werden, zum Beispiel in Form von Finite-Elemente-Simulationen.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Feder zeichnet sich dadurch aus, dass Übergangsbereiche zwischen den Federabschnitten definiert gerundet ausgebildet sind. Auf diese Weise ist unterstützt, dass eine Bruchgefahr für die mikromechanische Feder vorteilhaft minimiert ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Feder ist dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Feder integral mit einem Wippenelement des Sensorelements ausgebildet ist. Auf diese Weise können für das Herstellen der mikromechanischen Feder bewährte Herstellungsprozesse der Mikromechanik verwendet werden.
  • Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Die Figuren dienen vor allem der prinzipiellen Erläuterung der Erfindung und sind nicht unbedingt maßstabgetreu ausgeführt.
  • Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Erzeugnismerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für ein Sensorelement in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend die mikromechanische Feder für ein Sensorelement ergeben und umgekehrt.
  • In den Figuren zeigt:
    • 1 eine mikromechanische Feder gemäß Stand der Technik;
    • 2 eine erste Ausführungsform einer vorgeschlagenen mikromechanischen Feder für ein Sensorelement;
    • 3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer vorgeschlagenen mikromechanischen Feder für ein Sensorelement;
    • 4 eine Querschnittsansicht eines Federsystems mit zwei übereinander angeordneten mikromechanischen Federn;
    • 5 die Anordnung von 4 in einer Draufsicht,
    • 6 ein prinzipielles Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für ein Sensorelement.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Ein Kerngedanke der Erfindung besteht darin, eine mikromechanische Feder für einen Sensorelement bereitzustellen, die eine erweiterte Designfreiheit betreffend eine spezifische Betriebscharakteristik in Form eines Störmodus beinhaltet. Auf diese Weise können vorteilhaft sowohl der Detektions- als auch der Störmodus der mikromechanischen Feder beeinflusst werden, wodurch ein Betriebsverhalten des Sensorelements mit der mikromechanischen Feder spezifikationsgemäß ausgelegt werden kann.
  • Unter Detektionsmodus (Nutzmodus) und Störmodus werden nach folgend Frequenzen bzw. Frequenzbereiche in einem Frequenzraum verstanden, die Frequenzen für eine gewollte Anregung (Detektionsmodus) bzw. eine ungewollte Anregung (Störmodus) der mikromechanischen Feder 100 definieren. Die beiden genannten Moden stellen dabei einen ersten und einen zweiten Modus dar, wobei tatsächlich unendlich viele Moden vorhanden sind, die mit steigender Modenzahl eine jeweils höhere mechanische Anregungsenergie erfordern. Im Ergebnis werden durch den Detektionsmodus bzw. Störmodus Steifigkeiten definiert, bzw. Grade von Auslenkungen, die der Sensor bei einer definierten Beschleunigungskraft (z.B. 1g) erfährt.
  • 1 zeigt in einer Draufsicht eine herkömmliche mikromechanische Feder 100 für ein Sensorelement, wobei die Feder 100 als eine Torsionsfeder ausgebildet ist, die um eine Torsionsachse A tordierbar ist. Erkennbar ist die mit parallelen Seitenbereichen ausgestaltete Feder 100 mit einer Länge L1 und einer Breite B1, wodurch ein Detektionsmodus (Nutzmodus) der mikromechanischen Feder 100 festgelegt ist. Nachteilig werden mit der Länge L1 und der Breite B1 allerdings auch ein Störmodus der mikromechanischen Feder 100 festgelegt, der sich nicht ändern lässt.
  • Nicht dargestellt ist in 1 eine beidseits der mikromechanischen Feder 100 ausgebildete Wippenstruktur für ein z-Sensorelement, die üblicherweise asymmetrisch ausgebildet ist, um auf diese Weise eine Auslenkung der Wippenstruktur aus der Ebene zu bewirken und eine Beschleunigungskraft zu erfassen.
  • Diese konventionelle Feder 100 kann aufgrund der Tatsache, dass die Feder auch innerhalb der xy-Ebene verdreht wird, gemäß einem Störmodus betrieben werden, was sich nachteilig auf ein Betriebs- bzw. Sensierverhalten des Sensorelements auswirkt (z.B. durch Erzeugen von Fehlsignalen).
  • Fallen die genannten Störmoden mit Frequenzen zusammen, bei denen von einer Auswerteschaltung (nicht dargestellt) Spannungs- und damit Kraftpulse erzeugt werden (insbesondere bei ganzzahligen Vielfachen der Arbeitsfrequenz des Sensors), so können diese Störmoden durch die Auswerteschaltung angeregt werden. Hierdurch kann es nachteilig zu Sensor-Fehlsignalen kommen.
  • 2 zeigt eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform einer vorgeschlagenen mikromechanischen Feder 100. Man erkennt, dass die mikromechanische Feder 100 zwei Federabschnitte 10, 20 aufweist, wobei der erste Federabschnitt 10 eine Länge L1 mit einer Breite B1 und ein zweiter Federabschied 20 eine Länge L2 mit einer Breite B2 aufweist.
  • Auf diese Weise kann vorteilhaft der Detektionsmodus durch den ersten Federabschnitt 10 und der Störmodus durch den zweiten Federabschnitt 20 beeinflusst werden. Somit wird auf vorteilhafte Weise auch ein Freiheitsgrad betreffend den Störmodus bereitgestellt, sodass die derart ausgebildete mikromechanische Feder 100 bestmöglich an eine vorgegebene Spezifikation angepasst werden kann. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine definierte Torsionssteifigkeit der vorgeschlagenen mikromechanischen Feder 100 realisiert werden.
  • Vorzugsweise weisen Übergangsbereiche 11 zwischen dem ersten Federabschnitt 10 und dem zweiten Federabschnitt 20 jeweils einen Abschnitt mit einer Krümmung mit einem definierten Radius bzw. einer kurvig begrenzten Ausnehmung auf. Dadurch können z.B. mechanische Kerbspannungen reduziert und dadurch eine Bruchgefahr für die vorgeschlagene mikromechanische Feder 100 vorteilhaft stark verringert sein.
  • Eine Dimensionierung sämtlicher geometrischen Abmessungen der mikromechanischen Feder 100 erfolgt vorzugsweise mittels bekannter Simulationsmethoden, z.B. mittels Finite-Elemente-Simulationsmethoden.
  • Eine beispielhafte vorgeschlagene mikromechanische Feder 100 weist eine Gesamtlänge (L1 + L2) von ca. 100µm, eine mittlere Breite von ca. 2µm und eine Tiefe von ca. 20µm auf. Es versteht sich aber von selbst, dass für die mikromechanische Feder 100 beliebige andere geometrische Dimensionierungen denkbar sind.
  • Vorzugweise wird dabei im Frequenzraum der Störmodus derart ausgelegt, dass er im Frequenzraum definiert beabstandet vom Detektionsmodus angeordnet ist. Auf diese Weise kann für das Sensorelement eine definierte Entkopplung von Detektionsmodus und Störmodus realisiert werden.
  • 3 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der mikromechanischen Feder 100. Gut erkennbar sind die beiden unterschiedlich breiten Federabschnitte 10, 20 entlang der Sensier- bzw. Torsionsachse A, wobei die mikromechanische Feder 100 integral mit der Wippe 30 ausgebildet ist.
  • Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, die Feder 100 zusammen mit der Wippe 30 mit gängigen herkömmlichen mikromechanischen Verfahren, zum Beispiel Gasphasenätzen einstückig bzw. integral mit der Wippe ausgebildet herzustellen. Dadurch ist eine effiziente Herstellung der gesamten Wippe 30 mit der Feder 100 unterstützt.
  • Gut erkennbar sind in 3 auch die gerundeten Übergangsbereiche 11 zwischen dem ersten Federabschnitt 10 und dem zweiten Federabschnitt 20.
  • Vorteilhaft kann die Feder für Anwendungen im Automotive Bereich (z.B. für Sensoren für ESP-Steuergeräte) oder in mobilen Endgeräten eingesetzt werden, wobei für die genannten Zwecke jeweils unterschiedliche Sensierempfindlichkeiten vorgesehen sind, die letztlich unterschiedlich ausgebildete mikromechanische Federn erfordern.
  • Nicht in Figuren dargestellt sind weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorgeschlagenen mikromechanischen Feder 100, die mehr als zwei Federabschnitte aufweisen. Denkbar ist z.B., dass die mikromechanische Feder 100 drei oder noch mehr Federabschnitte mit jeweils unterschiedlichen Breiten aufweist, wobei gegebenenfalls auch Federabschnitte mit gleichen Breiten vorgesehen sein können.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der mikromechanischen Feder 100 wird diese mit einer zweiten Feder 110 zu einem mikromechanischen Federsystem 300 kombiniert. Dies ist prinzipiell in 4 angedeutet, die eine Querschnittsansicht eines derartigen Federsystems 300 mit zwei übereinander angeordneten mikromechanischen Federn 100, 110 darstellt. Die beiden mikromechanischen Federn 100, 110 sind im Sensorelement mittels wenigstens zweier Verbindungselemente 120 vorzugsweise an Randbereichen miteinander verbunden, d.h. mechanisch gekoppelt. Auf diese Weise kann für ein Sensorelement mit dem Federsystem 300 eine verbesserte Symmetrie bereitgestellt werden, weil ein im Wesentlichen zentraler Schwerpunkt im Schichtsystem des mikromechanischen Federsystems 300 realisiert ist. Auf diese Weise können auf das Sensorelement wirkende Quereffekte besser ausgeglichen werden.
  • 5 zeigt die Anordnung von 4 in einer Draufsicht. Es ist erkennbar, dass die oben liegende mikromechanische Feder 100 gemäß den oben erläuterten Prinzipien gestuft ausgebildet ist. Die unten liegende mikromechanische Feder 110 ist gerade ausgebildet, denkbar ist aber auch, die oben liegende mikromechanische Feder gerade und die darunter angeordnete mikromechanische Feder gestuft auszubilden.
  • Weitere Varianten des mikromechanischen Federsystems, die nicht in Figuren dargestellt sind, umfassen drei und noch mehr übereinander angeordnete mikromechanische Federn, die geeignet miteinander gekoppelt sind.
  • 6 zeigt einen schematisch dargestellten Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für ein Sensorelement.
  • In einem Schritt 200 wird ein Ausbilden von wenigstens zwei Federabschnitten 10, 20 durchgeführt, wobei die wenigstens zwei Federabschnitte 10, 20 derart ausgebildet werden, dass ein erster Federabschnitt 100 mit einer ersten Länge L1 zu einem zweiten Federabschnitt 20 mit einer zweiten Länge L2 definiert unterschiedlich breit ausgebildet wird.
  • Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein vorteilhaftes Design für eine mikromechanische Feder für ein mikromechanisches Inertialsensor-Element mit einer out-of-plane-Detektion vorgeschlagen, bei der Gestaltungsmöglichkeiten sowohl für einen Detektionsmodus als auch für einen Störmodus vorgesehen sind.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt.
  • Der Fachmann wird somit die Merkmale entsprechend abändern und miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2008/0141774 A1 [0005]
    • DE 102006051329 A1 [0006]
    • US 2014/0331770 A1 [0007]
    • US 2013/0192362 A1 [0008]

Claims (11)

  1. Mikromechanische Feder (100) für ein Sensorelement, aufweisend: - wenigstens zwei entlang einer Sensierachse (A) ausgebildete Federabschnitte (10, 20); - wobei die wenigstens zwei Federabschnitte (10, 20) jeweils eine definierte Länge (L1, L2) aufweisen; und - wobei die wenigstens zwei Federabschnitte (10, 20) definiert unterschiedliche Breiten (B1, B2) aufweisen.
  2. Mikromechanische Feder (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Federabschnitte (10, 20) derart ausgebildet sind, dass in einem Frequenzraum ein Detektionsmodus der mikromechanischen Feder (100) von einem Störmodus der mikromechanischen Feder (100) definiert beabstandet ist.
  3. Mikromechanische Feder (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem ersten Federabschnitt (10) der Detektionsmodus und mit dem zweiten Federabschnitt (20) der Störmodus der mikromechanischen Feder (100) beeinflussbar ist.
  4. Mikromechanische Feder (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Größenabmessungen der Feder (100) mittels Simulationsverfahren ermittelt werden.
  5. Mikromechanische Feder(100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Übergangsbereiche (11) zwischen den Federabschnitten (10, 20) definiert gerundet ausgebildet sind.
  6. Mikromechanische Feder (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Feder (100) integral mit einem Wippenelement des Sensorelements ausgebildet ist.
  7. Mikromechanisches Federsystem (300) für ein Sensorelement, aufweisend wenigstens zwei miteinander gekoppelte, übereinander angeordnete mikromechanische Federn (100, 110), wobei wenigstens eine der mikromechanischen Federn (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  8. Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Feder (100) für ein Sensorelement, aufweisend die Schritte: - Ausbilden von wenigstens zwei Federabschnitten (10, 20), wobei die wenigstens zwei Federabschnitte (10, 20) derart ausgebildet werden, dass ein erster Federabschnitt (10) mit einer ersten Länge (L1) zu einem zweiten Federabschnitt (20) mit einer zweiten Länge (L2) definiert unterschiedlich breit ausgebildet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der erste Federabschnitt (10) derart ausgebildet wird, dass eine Spezifikation betreffend einen Detektionsmodus der mikromechanischen Feder (10) erfüllt wird und wobei der zweite Federabschnitt (20) derart ausgebildet wird, dass eine Spezifikation betreffend einen Störmodus der mikromechanischen Feder (100) erfüllt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Feder integral mit einem Wippenelement (30) des Sensorelements ausgebildet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei wenigstens zwei mikromechanische Federn (100, 110) übereinander angeordnet und miteinander gekoppelt zu einem mikromechanischen Federsystem (300) ausgebildet werden, wobei wenigstens eine der mikromechanischen Federn (100, 110) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 ausgebildet wird.
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