DE102019217505A1 - Inertial sensor with a substrate having a main extension plane and a seismic mass connected to the substrate via a spring arrangement - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Inertialsensor (1) mit einem eine Haupterstreckungsebene (2) aufweisendem Substrat und einer über eine Federanordnung (3) mit dem Substrat verbundenen seismischen Masse (6) vorgeschlagen, wobei die seismische Masse (6) durch die Federanordnung (3) derart gelagert ist, dass die seismische Masse (6) zu einer Linearschwingung und einer Drehschwingung anregbar ist, wobei die Linearschwingung entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene (2) verlaufenden X-Richtung (7) verläuft und eine Drehachse (10) der Drehschwingung entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene (2) verlaufenden und auf der X-Richtung (7) senkrecht stehenden Y-Richtung (8) verläuft, wobei die Federanordnung (3) eine erste und zweite Feder (4, 5) aufweist, wobei die erste und zweite Feder (4, 5) in X-Richtung jeweils eine Breite (11) und einen gegenseitigen Abstand (12) aufweisen und der Abstand (12) und die Breite (11) der beiden Federn so gewählt sind, dass eine Resonanzfrequenz der Linearschwingung im Wesentlichen gleich einer Resonanzfrequenz der Drehschwingung ist.An inertial sensor (1) is proposed with a substrate having a main extension plane (2) and a seismic mass (6) connected to the substrate via a spring arrangement (3), the seismic mass (6) being supported in this way by the spring arrangement (3) is that the seismic mass (6) can be excited to a linear oscillation and a torsional oscillation, wherein the linear oscillation runs along an X-direction (7) running parallel to the main extension plane (2) and an axis of rotation (10) of the rotary oscillation along a parallel to the main extension plane (2) and the Y-direction (8) running perpendicular to the X-direction (7), the spring arrangement (3) having a first and second spring (4, 5), the first and second spring (4, 5) each have a width (11) and a mutual spacing (12) in the X direction and the spacing (12) and the width (11) of the two springs are selected so that a resonance frequency of the linear oscillation is essentially equal to a resonance frequency of the torsional vibration.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Inertialsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on an inertial sensor according to the preamble of claim 1.
Inertialsensoren sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Das physikalische Grundprinzip solcher Sensoren besteht darin, dass die bei einer Beschleunigung des Sensors wirkenden Trägheitskräfte eine Auslenkung einer oder mehrerer seismischen Massen bewirken.Inertial sensors are known from the prior art in various embodiments. The basic physical principle of such sensors is that the inertial forces acting when the sensor is accelerated cause a deflection of one or more seismic masses.
So wird beispielsweise in der
Bei dem in der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Inertialsensor zur Verfügung zu stellen, der bezüglich beider Schwingungsmoden (Drehschwingung und Linearschwingung) im Wesentlichen gleiche Resonanzfrequenzen aufweist.Against this background, it is an object of the present invention to provide an inertial sensor which has essentially the same resonance frequencies with respect to both oscillation modes (torsional oscillation and linear oscillation).
Der Inertialsensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die besondere Gestaltung der durch die Federanordnung gebildeten Aufhängung ein zusätzlicher Spielraum zur Beeinflussung der Resonanzfrequenz der Drehschwingung eröffnet wird. Der Kern des Erfindungsgedankens liegt hierbei darin, dass das Schwingungsverhalten bezüglich der Drehbewegung durch eine geeignete Wahl des Abstandes der beiden Federn gezielt beeinflusst werden kann, ohne dass dabei gleichzeitig das Schwingungsverhalten der Linearbewegung verändert wird. Auf diese Weise lassen sich die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsmoden durch eine einfache Anpassung der mikromechanischen Geometrie aneinander angleichen.The inertial sensor according to the main claim has the advantage over the prior art that the special design of the suspension formed by the spring arrangement opens up additional scope for influencing the resonance frequency of the torsional vibration. The essence of the inventive concept is that the vibration behavior with respect to the rotary movement can be specifically influenced by a suitable choice of the distance between the two springs, without the vibration behavior of the linear movement being changed at the same time. In this way, the resonance frequencies of the two vibration modes can be matched to one another by simply adapting the micromechanical geometry.
Zur Beschreibung der geometrischen Verhältnisse wird die Haupterstreckungsebene des Substrats als X-Y-Ebene eines Koordinatensystems zugrunde gelegt. Die dazu senkrechte Z-Richtung wird im Folgenden auch als vertikale Richtung bezeichnet und die gegenseitige Lage der verschiedenen Elemente bezüglich der Z-Richtung wird mit den Begriffen „oben“ und „unten“ beschrieben, ohne dass damit eine Beziehung zur Schwerkraftrichtung impliziert ist.To describe the geometric relationships, the main plane of extent of the substrate is taken as the basis as the X-Y plane of a coordinate system. The Z-direction perpendicular to this is also referred to below as the vertical direction and the mutual position of the various elements in relation to the Z-direction is described using the terms “top” and “bottom” without any relation to the direction of gravity being implied.
Der erfindungsgemäße Sensor ist im folgenden Sinne sensitiv gegenüber Beschleunigungen in X-Richtung: Bei einer anliegenden X-Beschleunigung wird die seismische Masse aufgrund ihrer Trägheit gegenüber dem Substrat in negative X-Richtung ausgelenkt. Diese Bewegung wird dadurch ermöglicht, dass sich die beiden Federn der Federanordnung (im Folgenden auch als Doppelfeder bezeichnet) in der X-Y-Ebene verbiegen. Vorzugsweise verlaufen die beiden Federn zumindest teilweise oder vollständig in Y-Richtung und krümmen sich bei der Verbiegung in X-Richtung. Die Steifigkeit der Federanordnung gegenüber Verbiegungen in der X-Y-Ebene und damit die Resonanzfrequenz der Linearschwingung wird bei dieser Bewegung im Wesentlichen durch die Breite der Federn bestimmt. Unter der Breite der Federn ist hierbei die Ausdehnung in X-Richtung zu verstehen. Bei Ausführungsformen, bei denen die Federn zusätzlich Teilstücke aufweisen, die zumindest teilweise in Y-Richtung verlaufen, ist unter der Breite insbesondere die X-Ausdehnung der in X-Richtung verlaufenden Teilstücke zu verstehen. Das erfindungsgemäße Konzept lässt explizit auch zu, dass die beiden Federn jeweils zwei oder mehr Teilfedern umfassen, deren Breite insbesondere auch unterschiedlich ausfallen kann. Bei diesen Ausführungsformen sind dann entsprechend der Abstand der beiden Federn und die Breiten der Teilfedern so gewählt, dass eine Resonanzfrequenz der Linearschwingung im Wesentlichen gleich einer Resonanzfrequenz der Drehschwingung ist. Zu Detektion von Z-Beschleunigungen weist die seismische Masse bezüglich der Drehachse eine asymmetrische Massenverteilung auf, d.h. die Drehachse verläuft insbesondere nicht durch den Schwerpunkt der seismischen Masse. Vorzugsweise ist die Drehachse bezüglich der X-Richtung in der Mitte zwischen den beiden Federn angeordnet.The sensor according to the invention is sensitive to accelerations in the X direction in the following sense: With an applied X acceleration, the seismic mass is deflected in the negative X direction due to its inertia with respect to the substrate. This movement is made possible by the fact that the two springs of the spring arrangement (also referred to as double spring in the following) bend in the XY plane. The two springs preferably run at least partially or completely in the Y direction and curve in the X direction when they are bent. The stiffness of the spring arrangement against bending in the XY plane and thus the resonance frequency of the During this movement, linear oscillation is essentially determined by the width of the springs. The width of the springs is to be understood here as the extension in the X direction. In embodiments in which the springs additionally have sections that run at least partially in the Y direction, the width is to be understood in particular as the X dimension of the sections that run in the X direction. The concept according to the invention also explicitly allows the two springs to each include two or more sub-springs, the width of which can in particular also be different. In these embodiments, the spacing between the two springs and the widths of the partial springs are selected so that a resonance frequency of the linear oscillation is essentially equal to a resonance frequency of the torsional oscillation. For the detection of Z accelerations, the seismic mass has an asymmetrical mass distribution with respect to the axis of rotation, ie the axis of rotation in particular does not run through the center of gravity of the seismic mass. The axis of rotation is preferably arranged in the middle between the two springs with respect to the X direction.
In der Ruhelage, d.h. ohne äußere Beschleunigungen, liegt die seismische Masse vorzugsweise parallel zur X-Y-Ebene. Bei einer Beschleunigung in Z-Richtung wirkt aufgrund der Massenasymmetrie ein Drehmoment auf die Masse, so dass sie eine Rotation um die Drehachse ausführt, bei der sie sich gegenüber der X-Y-Ebene verkippt. Diese Bewegung wird dadurch ermöglicht, dass die beiden Federn eine Verbiegung in Z-Richtung, bzw. eine Kombination aus einer Verbiegung in Z-Richtung und einer Torsionsbewegung ausführen. Die Biegesteifigkeit der Federn in Z-Richtung erzeugt dabei eine rückstellende Kraft in Z-Richtung, wobei das dadurch hervorgerufene rückstellende Drehmoment bei gleicher Biegesteifigkeit der Federn umso größer ausfällt, je größer die Hebellänge ist, die durch den Abstand zwischen den Federn gebildet wird. Anders ausgedrückt lässt sich also über diesen Abstand das elastische Verhalten der durch die beiden Federn gebildeten Federanordnung gegenüber Drehungen beeinflussen und damit gezielt die Resonanzfrequenz der Drehschwingung einstellen. Auf diese Weise wird durch den Federabstand zusätzlich zur Federbreite ein weiterer geometrischer Parameter geschaffen, über den sich die Resonanzfrequenz der Drehschwingung verändern lässt, ohne dass damit gleichzeitig die Resonanzfrequenz der Linearschwingung betroffen ist.In the rest position, i.e. without external accelerations, the seismic mass is preferably parallel to the X-Y plane. When accelerating in the Z direction, due to the mass asymmetry, a torque acts on the mass, so that it rotates around the axis of rotation, during which it tilts in relation to the X-Y plane. This movement is made possible by the fact that the two springs perform a bending in the Z direction or a combination of a bending in the Z direction and a torsional movement. The bending stiffness of the springs in the Z-direction generates a restoring force in the Z-direction, the restoring torque caused thereby being greater, the greater the lever length, which is formed by the distance between the springs, with the same flexural stiffness of the springs. In other words, this distance can be used to influence the elastic behavior of the spring arrangement formed by the two springs with respect to rotations and thus set the resonance frequency of the torsional vibration in a targeted manner. In this way, the spring spacing creates a further geometric parameter in addition to the spring width, via which the resonance frequency of the torsional vibration can be changed without simultaneously affecting the resonance frequency of the linear vibration.
Erfindungsgemäß ist die Gestaltung der Federanordnung so gewählt, dass die Resonanzfrequenz der Linearschwingung im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Drehschwingung ist. Die beiden Resonanzfrequenzen können beispielsweise als im Wesentlichen gleich angesehen werden, wenn die Abweichung maximal 1 %, 2 %, 5 % oder 10 % beträgt. Denkbar ist auch, die beiden Resonanzfrequenzen durch die Gestaltung der Federanordnung zumindest grob anzugleichen und eine weitere Feinabstimmung, beispielsweise durch die elektrostatische Wirkung von Kompensationselektroden, für eine präzisere Angleichung durchzuführen.According to the invention, the design of the spring arrangement is selected such that the resonance frequency of the linear oscillation is essentially the same as the resonance frequency of the torsional oscillation. The two resonance frequencies can, for example, be viewed as essentially the same if the deviation is a maximum of 1%, 2%, 5% or 10%. It is also conceivable to at least roughly equalize the two resonance frequencies through the design of the spring arrangement and to carry out a further fine adjustment, for example through the electrostatic effect of compensation electrodes, for a more precise adjustment.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist jede der beiden Federn jeweils eine obere und eine untere Teilfeder auf, wobei die obere und untere Teilfeder jeweils in Y-Richtung verlaufen und in einer auf der Haupterstreckungsebene senkrecht stehenden Z-Richtung voneinander beabstandet sind. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Feder jeweils derart gestaltet, dass eine Breite der oberen Teilfeder von einer Breite der unteren Teilfeder verschieden ist und/oder die obere und untere Teilfeder jeweils eine Höhe in Z-Richtung aufweisen und eine Höhe der oberen Teilfeder von einer Höhe der unteren Teilfeder verschieden ist. Eine solche Feder, im Folgenden auch als i-Feder bezeichnet, umfasst also zwei Teilfedern, deren Querschnitte unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Eine Federanordnung, die aus zwei beabstandeten i-Federn gebildet wird, wird im Folgenden auch als Doppel-i-Feder bezeichnet. Insbesondere kann die Höhe der oberen Teilfeder größer als die Höhe der unteren Teilfeder sein. Weiterhin weist die obere Teilfeder vorzugsweise eine Breite auf, die geringer ist als die Breite der unteren Teilfeder. Durch diese Gestaltung ist es vorteilhafterweise möglich, die Querempfindlichkeit zwischen Linear- und Drehschwingung zu reduzieren. Weitere Details zur Gestaltung einer solchen i-Feder sind in der
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jede der beiden Federn mäanderförmig ausgebildet und weist mindestens zwei in Y-Richtung verlaufende Teilstücke auf, die durch zumindest teilweise in X-Richtung verlaufende Teilstücke miteinander verbunden sind. Diese Ausführungsform wird im Folgenden auch als Mäanderfeder bezeichnet. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die beiden Federn jeweils mindestens drei in Y-Richtung verlaufende Teilstücke auf, wobei ein erstes Teilstück einen Verbindungspunkt mit dem Substrat aufweist, der bezüglich der Y-Richtung in der Mitte des ersten Teilstücks angeordnet ist, wobei das erste Teilstück und ein zweites Teilstück an den Enden miteinander verbunden sind, wobei das zweite Teilstück einen Verbindungspunkt mit einem dritten Teilstück aufweist, der bezüglich der Y-Richtung in der Mitte des zweiten Teilstücks angeordnet ist. Das erste Teilstück ist dabei vorzugsweise bezüglich der Y-Richtung in einem Mittelbereich des ersten Teilstücks über einen Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden. Das erste und zweite Teilstück sind vorzugsweise jeweils an den Enden durch kurze, in X-Richtung verlaufende Teilstücke miteinander verbunden und das zweite und dritte Teilstück sind vorzugsweise wiederum mit einem bezüglich der Y-Richtung mittig angebrachten, in X-Richtung verlaufenden Teilstück verbunden.According to a preferred embodiment, each of the two springs is designed in a meandering shape and has at least two sections running in the Y direction, which are connected to one another by sections running at least partially in the X direction. This embodiment is also referred to below as a meander spring. According to a particularly preferred embodiment, the two springs each have at least three sections running in the Y direction, a first section having a connection point with the substrate which is arranged in the center of the first section with respect to the Y direction, the first section and a second section are connected to one another at the ends, the second section having a connection point with a third section which is arranged in the center of the second section with respect to the Y-direction. The first section is preferably with respect to the Y Direction in a central region of the first section connected to the substrate via an anchor point. The first and second sections are preferably connected to each other at the ends by short sections running in the X direction, and the second and third sections are preferably in turn connected to a section centered in relation to the Y direction and running in the X direction.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die beiden Federn jeweils durch einen Federbalken gebildet, wobei jeder der beiden Federbalken insbesondere eine Höhe in Z-Richtung aufweist, die größer ist als eine Breite in X-Richtung. Vorzugsweise ist jeder der beiden Federbalken in einem Mittelbereich mit dem Substrat verbunden, während die beiden Enden mit der seismischen Masse verbunden sind. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der vorstehend beschriebenen Doppel-i-Feder wobei die Federn jedoch jeweils nur durch einen Balken gebildet werden, also keine zweite Teilfeder aufweisen.According to a preferred embodiment, the two springs are each formed by a spring bar, each of the two spring bars in particular having a height in the Z direction that is greater than a width in the X direction. Each of the two spring bars is preferably connected to the substrate in a central region, while the two ends are connected to the seismic mass. This embodiment corresponds essentially to the double i-spring described above, but the springs are each formed only by a bar, that is to say do not have a second partial spring.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Abstand und die Breite der beiden Federn so gewählt, dass ein Frequenzverhalten der Linearschwingung im Wesentlichen gleich einem Frequenzverhalten der Drehschwingung ist. Anders ausgedrückt wird das dynamische Verhalten bezüglich der Linearschwingung durch eine erste Übertragungsfunktion (d.h. durch den mathematischen Zusammenhang zwischen der Frequenz des Antriebssignal und der resultierenden Schwingungsfrequenz) beschrieben, das dynamische Verhalten bezüglich der Drehschwingung wird durch eine zweite Übertragungsfunktion beschrieben und der Verlauf der ersten Übertragungsfunktion entspricht im Wesentlichen dem Verlauf der zweiten Übertragungsfunktion. Insbesondere sind in einem solchen Fall sowohl die Resonanzfrequenzen, als auch die Empfindlichkeiten bezüglich der beiden Schwingungsmoden im Wesentlichen identisch. Eine Anpassung des Frequenzverhaltens wird dabei durch die geometrische Gestaltung des Sensors, insbesondere durch die Wahl der Breite und des Abstandes der Federn ermöglicht.According to a preferred embodiment, the distance and the width of the two springs are selected such that a frequency behavior of the linear oscillation is essentially the same as a frequency behavior of the torsional oscillation. In other words, the dynamic behavior with respect to the linear oscillation is described by a first transfer function (i.e. by the mathematical relationship between the frequency of the drive signal and the resulting oscillation frequency), the dynamic behavior with respect to the torsional oscillation is described by a second transfer function and the course corresponds to the first transfer function essentially the course of the second transfer function. In particular, in such a case, both the resonance frequencies and the sensitivities with regard to the two oscillation modes are essentially identical. An adaptation of the frequency behavior is made possible by the geometric design of the sensor, in particular by the choice of the width and the spacing of the springs.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Federanordnung bezüglich der Haupterstreckungsebene von der seismischen Masse umgeben. Die Federanordnung ist von der seismischen Masse insbesondere bezüglich der X-Y-Ebene vollständig umgeben, wobei die Masse vorzugsweise eine Rahmenstruktur bildet, die die Federanordnung bezüglich der X-Y-Ebene vollständig umgibt. Vorzugsweise weist die seismische Masse in ihrem Innenbereich eine Ausnehmung auf und die Federanordnung ist in dieser Ausnehmung angeordnet, wobei die beiden Federn der Federanordnung vorzugsweise einerseits mit einem Innenrand der Ausnehmung und andererseits mit dem ebenfalls in der Ausnehmung angeordneten Ankerpunkt verbunden sind.According to a preferred embodiment, the spring arrangement is surrounded by the seismic mass with respect to the main plane of extent. The spring arrangement is completely surrounded by the seismic mass, in particular with regard to the X-Y plane, the mass preferably forming a frame structure which completely surrounds the spring arrangement with regard to the X-Y plane. The seismic mass preferably has a recess in its inner region and the spring arrangement is arranged in this recess, the two springs of the spring arrangement preferably being connected on the one hand to an inner edge of the recess and on the other hand to the anchor point also arranged in the recess.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Feder über einen gemeinsamen Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden. Alternativ ist denkbar, die beiden Federn jeweils über zwei getrennte Ankerpunkte mit dem Substrat zu verbinden.According to a preferred embodiment, the first and second springs are connected to the substrate via a common anchor point. Alternatively, it is conceivable to connect the two springs to the substrate via two separate anchor points.
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors, bei der die Federanordnung durch eine Doppel-i-Feder gebildet wird.1 shows an embodiment of the inertial sensor according to the invention, in which the spring arrangement is formed by a double i-spring. -
2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors, bei der die Federanordnung durch eine Doppel-Mäanderfeder gebildet wird.2 shows an embodiment of the inertial sensor according to the invention, in which the spring arrangement is formed by a double meander spring. -
3 zeigt in einer schematischen Darstellung den Querschnitt einer i-Feder.3 shows a schematic representation of the cross section of an i-spring. -
4 zeigt in einer schematischen Darstellung die Form einer Mäanderfeder.4th shows a schematic representation of the shape of a meander spring.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
Die über die Federanordnung
Die Federanordnung
Da durch das elastische Verhalten bei Linear- bzw. Drehbewegungen
Bei der in
In der
In der
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