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Stand der Technik
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Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigung und Drehrate werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt. Für kapazitive Beschleunigungssensoren mit Detektionsrichtung senkrecht zur Waferebene (z-Richtung) werden von RB vorzugsweise „Wippen“ genutzt. Das Sensorprinzip dieser Wippen basiert auf einem Feder-Masse-System, in welchem im einfachsten Fall eine bewegliche seismische Masse mit zwei auf dem Substrat fixierten Gegenelektroden zwei Plattenkondensatoren bildet. Die seismische Masse ist über mindestens eine, aus Symmetriegründen üblicherweise eher zwei Torsionsfedern mit der Unterlage verbunden. Sind die Massestrukturen auf den beiden Seiten der Torsionsfeder unterschiedlich groß, so wird sich beim Einwirken einer z-Beschleunigung die Massestruktur relativ zur Torsionsfeder als Drehachse drehen. Damit wird der Abstand der Elektroden auf der Seite mit der größeren Masse kleiner und auf der anderen Seite größer. Die Kapazitätsänderung ist ein Maß für die einwirkende Beschleunigung. Diese Beschleunigungssensoren werden in zahlreichen Anmeldungen beschrieben, u. a. in
EP 0 244 581 und
EP 0 773 443 B1 . Die Wippenstrukturen bestehen also i. Allg. aus einem symmetrischen Wippenteil und einer asymmetrischen Masse, wie in
im Schnittbild skizzenhaft dargestellt.
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Ein wichtiger Trend in der Weiterentwicklung von mikromechanischen Sensoren (jenseits von Kostenreduktion und Performance-Steigerung) ist die Erhöhung der mechanischen Robustheit bzw. Überlastfestigkeit. Bedingt durch innovative Applikationen ergeben sich neue Einbaulagen und damit u. U. auch neuartige Belastungsprofile mit steigenden Robustheitsanforderungen für die Sensoren. Als Beispiel sei an dieser Stelle die Montage von Inertialsensoren in den Eingabestiften von Tablets genannt. Während Tablets oder auch Smartphones nur gelegentlich harten Schocks ausgesetzt sind, muss damit gerechnet werden, dass dies bei einem Eingabestift sehr häufig der Fall ist.
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Ein mögliches Fehlerbild bei häufig wiederholten Schockbelastungen ist das Kleben, bei dem die bewegliche Sensormasse an einem mechanischen Festanschlag hängen bleibt, sobald die Adhäsionskräfte im Anschlag größer sind als die Rückstellkräfte des Feder-Masse-Systems. Zur Verringerung der Adhäsionskräfte wird oftmals ein sogenanntes Anti-Stiction-Coating (ASC) eingesetzt, das nach dem Freistellen des Sensors auf seiner Oberfläche angeordnet wird. Schlägt ein Sensor aber sehr oft an einen Festanschlag an, kann es zu einer Schädigung des ASC kommen, so dass der Sensor schließlich eine erhöhte Klebeneigung zeigt. Ein weiteres mögliches Fehlerbild aufgrund sehr häufigen mechanischen Anschlagens ist die Partikelbildung, die aus einem sehr feinen Abrieb an den Oberflächen der Anschläge resultiert. Derartige Partikel können sich u. U. akkumulieren und zu einer Einschränkung der Bewegungsfreiheit, zu elektrischen Kurzschlüssen oder auch wiederum zum Kleben führen.
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Zur Reduktion des Kleberisikos werden für z-Beschleunigungssensoren oftmals Noppenanschläge verwendet, wie in
1 als Stand der Technik exemplarisch dargestellt. In diesem Fall sind die Noppen an der Unterseite der beweglichen Sensorstruktur angeordnet. Aufgrund der reduzierten Anschlagsfläche sind die Adhäsionskräfte relativ gering und somit das Kleberisiko bei gelegentlichem Berühren gering. Ein harter Festanschlag neigt aber bei häufiger Überlast zu den oben beschriebenen Fehlermechanismen (Kleben, Partikelbildung). Es wurden daher in der Vergangenheit verschiedene federnde Anschläge vorgeschlagen, die zum einen den Aufprall am Anschlag abfedern, also die mechanische Schädigung der Anschlagsoberflächen reduzieren, zum anderen eine erhöhte Rückstellkraft bei starker Überlast bieten, da zusätzlich zur Rückstellkraft der Funktionsfedern des Sensors auch die Anschlagsfeder zur Rückstellkraft beiträgt. Als Stand der Technik für federnde Anschläge seien einige Schriften genannt. Die
DE 10 2008 043 753 A1 zeigt einen Sensor mit federndem Anschlag, der in derselben Funktionsebene wie die seismische Masse realisiert ist. Die
EP 3 111 232 B1 zeigt eine sehr ähnliche Anordnung, allerdings kann hier der Anschlag nicht nur in eine Richtung, sondern beidseitig, also sowohl in Richtung der Bodenelektroden als auch in Richtung der Sensorkappe wirken. Die
DE 10 2012 207 939 A1 beschreibt einen federnden Anschlag, der aus einer zweiten dünnen Funktionsschicht unterhalb oder oberhalb einer dickeren Funktionsschicht gebildet wird. In diesem Fall kann der Anschlag, wenn die dünne Funktionsschicht unterhalb der dicken Funktionsschicht angeordnet ist, in Richtung der Bodenelektroden erfolgen. Ist die dünne Schicht oberhalb der dicken Funktionsschicht angeordnet, kann dagegen der Anschlag in Richtung der Sensorkappe erfolgen. Die
2 dieser Patentanmeldung zeigt als Stand der Technik eine Anordnung aus der
DE 10 2012 207 939 A1 in geringfügig modifizierter, aber sinngleicher Darstellung. Der federnde Anschlag ist in der mit P2 gekennzeichneten Ebene realisiert und wirkt hier in Richtung der in der Ebene
P1 gebildeten Bodenelektroden.
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Auch wenn federnde Anschläge bei geeigneter Dimensionierung zu einer effektiven Erhöhung der Rückstellkraft beitragen können, bleibt Kleben eine signifikante Herausforderung für die Qualität der Beschleunigungssensoren. Ferner stellt das Kleberisiko eine Hürde zur weiteren Miniaturisierung dar, da mit geringerer Baugröße bzw. Masse der Sensoren auch ihre Federsteifigkeit, mithin ihre Rückstellkraft, reduziert werden muss, während die Adhäsionskräfte an den Anschlagsstrukturen unverändert bleiben bzw. zumindest nicht in gleichem Maße abnehmen.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Erfindung soll eine verbesserte Überlastfestigkeit von mikromechanischen Sensoren ermöglichen, insbesondere das Kleberisiko von z-Beschleunigungssensoren beim Auftreten von dynamischen Belastungen (also nicht-statischen Beschleunigungen) reduzieren.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen z-Beschleunigungssensor mit einem Substrat und einer darüber angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht, mit einer seismischen Masse, welche in der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist, wobei die seismische Masse um eine Drehachse beweglich über dem Substrat aufgehängt ist, wobei die Drehachse parallel zu einer Hauptebene (x, y) des Substrats angeordnet ist und die seismische Masse infolge einer Beschleunigung in einer z-Richtung, senkrecht zur Hauptebene (x, y) auslenkbar ist.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die seismische Masse auf einer Seite der Drehachse wenigstens ein erstes Masseelement und ein zweites Masseelement aufweist, welche federnd miteinander verbunden sind, derart, dass das erste Masseelement und das zweite Masseelement relativ zueinander in z-Richtung auslenkbar sind.
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Vorteilhaft ist die Anbindung der asymmetrischen Masse (oder eines Teils davon) an die z-Torsionswippe über eine geeignet dimensionierte Koppelfeder, welche deutlich steifer ist als die Torsionsfeder der Wippe. Bei einem hinreichend starken dynamischen Stoß wird die Wippe an einem Noppenanschlag unabhängig davon, ob er fest oder federnd ausgeführt ist, anschlagen, was im ungünstigen Fall zum Kleben führen kann. Der federnd angebundene asymmetrische Masseanteil kann nun jedoch weiter durchschwingen und Energie aufnehmen. Bei typischen praxisrelevanten Stößen mit kurzen Belastungszeiten ist somit noch Energie in der Koppelfeder gespeichert, wenn die Belastungsamplitude bereits wieder stark reduziert ist. Die asymmetrische Masse schwingt zurück und rüttelt aufgrund des nachfolgenden Energieübertrags den an den Anschlagsnoppen klebenden Sensor wieder los. Vorteilhaft wird die Bewegungsfreiheit in z-Richtung im Bereich der federnd gelagerten asymmetrischen Masse erhöht, um eine möglichst hohe Energieaufnahme zu ermöglichen und somit auch den Energieübertrag auf den Sensor im Bereich des klebenden Anschlags zu erhöhen.
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Vorteilhaft ist, dass das erste Masseelement und das zweite Masseelement mittels einer Koppelfeder federnd miteinander verbunden sind, wobei die Koppelfeder in der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist, dass das erste Masseelement und das zweite Masseelement mittels einer Koppelfeder federnd miteinander verbunden sind, wobei die Koppelfeder in einer weiteren mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist, welche zwischen der mikromechanischen Funktionsschicht und dem Substrat angeordnet ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die seismische Masse auf einer Seite der Drehachse wenigstens ein erstes Masseelement, ein zweites Masseelement und ein drittes Masseelement aufweist, welche federnd miteinander verbunden sind, derart, dass das erste Masseelement, das zweite Masseelement und das dritte Masseelement relativ zueinander in z-Richtung auslenkbar sind.
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Vorteilhaft ist, dass das zweite Masseelement und das dritte Masseelement mittels einer weiteren Koppelfeder federnd miteinander verbunden sind, wobei die weitere Koppelfeder in der mikromechanischen Funktionsschicht oder in der weiteren mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist, dass die Koppelfeder härter ausgebildet ist als die weitere Koppelfeder. Vorteilhaft ist es möglich, anstelle einer einfachen Koppelfeder ein Array von entweder parallel oder seriell angeordneten Federn mit zugeordneten Massen zu realisieren. Dadurch kann es möglich sein, sowohl eine harte als auch eine weiche Koppelfeder zu verwenden. Die harte Koppelfeder nimmt insbesondere bei extrem hoher Überlast, wie beispielsweise bei einem Fall des Bauelements aus größer Höhe, viel Energie auf. Hierdurch wird die Belastung für Feder- oder auch Anschlagsstrukturen des Sensors reduziert und somit die mechanische Robustheit des Sensors gewährleistet. Die weiche Koppelfeder dagegen nimmt bereits bei kleinen Stoßbelastungen, die hinsichtlich Kleben kritischer sein können, signifikant Energie auf und kann somit den obengenannten Losrüttel-Effekt bewirken.
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Insgesamt erhöht die Erfindung die Robustheit von z-Beschleunigungssensoren gegen Ankleben der mikromechanischen Struktur. Das erfindungsgemäße Design lässt sich einfach in den existierenden MEMS-Prozess für Beschleunigungssensoren ohne Zusatzkosten integrieren. Die Erfindung verursacht auch nur sehr geringen zusätzlichen Platzbedarf auf der gesamten MEMS-Vorrichtung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor mit zwei Siliziumschichten und Anschlagsnoppen im Stand der Technik.
- 2 zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor mit drei Siliziumschichten federnden Anschlägen im Stand der Technik.
- Die 3 a - d zeigen einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor in einem ersten Ausführungsbeispiel.
- Die 4 a und b zeigen einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
- 5 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor mit einer Koppelfeder in der mikromechanischen Funktionsschicht.
- 6 zeigt in einem vierten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor mit einer Koppelfeder in einer weiteren mikromechanischen Funktionsschicht.
- Die 7 a - d zeigen in einem fünften Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor mit drei Masseelementen und zwei Koppelfedern in der mikromechanischen Funktionsschicht.
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Beschreibung
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1 zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor mit zwei Siliziumschichten und Anschlagsnoppen im Stand der Technik.
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Dargestellt ist ein Substrat 10, darauf eine Isolationsschicht 15, auf der wiederum in einer Leitschicht P1 Bodenelektroden 20 ausgebildet sind. Darüber ist eine seismischen Masse 30 angeordnet, welche in einer mikromechanischen Funktionsschicht P3 ausgebildet ist, wobei die seismische Masse um eine Drehachse 40 beweglich mittels einer Torsionsfeder 42 über dem Substrat aufgehängt ist, wobei die Drehachse parallel zu einer Hauptebene (x, y) des Substrats angeordnet ist und die seismische Masse infolge einer Beschleunigung in einer z-Richtung, senkrecht zur Hauptebene (x, y) auslenkbar ist. Die seismische Masse weist einen symmetrischen Wippenteil 30a mit der Drehachse 40 oder Torsionsfeder 42 als Spiegelsymmetrieachse auf. Auf einer Seite der Drehachse 40 ist weiterhin eine asymmetrische Masse 30b angeordnet. Hierdurch kommt es bei einer Beschleunigung in z-Richtung zu einer Auslenkung der Wippe gegenüber dem Substrat in -z-Richtung. Die seismische Masse weist an einer Unterseite gegenüber den Bodenelektroden Noppenanschläge 38 auf, welche in der mikromechanischen Funktionsschicht P3 ausgebildet sind.
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2 zeigt schematisch einen z-Beschleunigungssensor mit drei Siliziumschichten federnden Anschlägen im Stand der Technik.
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Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten z-Beschleunigungssensor sind hier an der Unterseite der seismischen Masse federnde Anschläge 28 angeordnet, welche in einer weiteren mikromechanischen Funktionsschicht P2 ausgebildet sind.
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Die 3 a - d zeigen in einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor in einem ersten Ausführungsbeispiel.
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3a zeigt einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor basierend auf der Sensorgrundtopologie von 1, mit einem Substrat 10 und einer darüber angeordneten mikromechanischen Funktionsschicht P3, mit einer seismischen Masse 30, welche in der mikromechanischen Funktionsschicht ausgebildet ist, wobei die seismische Masse um eine Drehachse 40 beweglich über dem Substrat aufgehängt ist, wobei die Drehachse parallel zu einer Hauptebene (x, y) des Substrats angeordnet ist und die seismische Masse infolge einer Beschleunigung in einer z-Richtung, senkrecht zur Hauptebene (x, y) auslenkbar ist. Erfindungsgemäß weist die seismische Masse auf einer Seite der Drehachse wenigstens ein erstes Masseelement 32 und ein zweites Masseelement 33 auf, welche federnd miteinander verbunden sind, derart, dass das erste Masseelement und das zweite Masseelement relativ zueinander in z-Richtung auslenkbar sind.
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Der symmetrische Wippenteil 30a umfasst das erste Masseelement 32 auf der einen Seite der Drehachse und ein weiteres Masseelement 31 auf einer gegenüberliegenden Seite der Drehachse. Die asymmetrische Masse 30b, die in 1 fester Bestandteil der gesamten seismischen Masse 30 ist, ist hier als zweites Masseelement 33 über eine Koppelfeder 50 mit dem symmetrischen Wippenteil 30a verbunden. Die Drehachse 40 wird durch eine Torsionsfeder 42 gebildet.
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3b zeigt einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor in einem ersten Betriebszustand mit ausgelenkter seismischer Masse. Im Normalbetrieb, also bei Beschleunigungen innerhalb des Messbereichs des Sensors, wird die Koppelfeder kaum belastet, da sie steifer ausgeführt ist als die Torsionsfeder.
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3c zeigt einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor in einem zweiten Betriebszustand mit bis zum Anschlagen ausgelenkter seismischer Masse. Bei Stoßbelastungen dagegen kommt es zu einer vergrößerten Auslenkung 110 und zum Anschlagen 100 der Sensorstruktur, hier des weiteren Masseelements 31, links in der Figur mit dem Noppenanschlag 38 an der Unterlage. Die Darstellung ist schematisch vereinfacht. Vorteilhafterweise erfolgt der Anschlag der beweglichen Sensorstruktur - anders als hier dargestellt - an den Anschlägen potentialfrei und nicht an einer Bodenelektrode, da es ansonsten zu elektrischen Kurzschlüssen zwischen beweglicher Sensorstruktur und Festelektroden und somit zu Fehlfunktionen des Sensors kommen kann. Die Anordnung von 3c wie auch die folgenden Ausführungsbeispiele sind daher als stark vereinfacht zu betrachten, um das Grundprinzip der Erfindung darzustellen. Die asymmetrische Masse, hier das zweite Masseelement 33, kann sich bei diesem Stoß aber aufgrund der Anbindung über die Koppelfeder 50 weiter auslenken, wodurch die Koppelfeder potentielle elastische Energie aufnimmt. Beim Abklingen der Stoßbelastung wird die potentielle Energie wieder in kinetische Energie verwandelt und führt zu einer Rückbewegung der asymmetrischen Masse nach unten. Durch diese Nickbewegung werden auch Energie und Kraft auf den symmetrischen Wippenteil übertragen. Dieser Energieübertrag kann dynamisch zu einem Losrütteln der Sensorstruktur führen, falls diese zuvor am Anschlag kleben geblieben ist.
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3d zeigt einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor in einem dritten Betriebszustand mit bis zum Anschlagen ausgelenkter seismischer Masse. Dargestellt ist die Reaktion des z-Sensors auf eine Stoßbelastung mit invertiertem Vorzeichen. In diesem Fall kann die asymmetrische Masse, das zweite Masseelement 33, nur sehr eingeschränkt Energie aufnehmen, da sie nahezu gleichzeitig anschlägt wie der symmetrische Wippenteil am Noppenanschlag 38.
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Die 4 a und b zeigen einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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4a zeigt eine Variante, bei welcher der Grundabstand 120 zum Substrat 10 im Bereich der asymmetrischen Masse, hier dem zweiten Masseelement 33, erhöht wurde. In diesem Beispiel wurde im Unterschied zur 3 die in der Leiterbahnebene P1 realisierte Fläche unterhalb der asymmetrischen Masse entfernt, zudem die darunter befindliche Oxidschicht 15, was über eine reine Layout-Maßnahme möglich ist.
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4b zeigt, dass nun auch bei invertierter Stoßbelastungsrichtung eine vergrößerte Auslenkung 110 der asymmetrischen Masse 33 und somit Energieaufnahme der Koppelfeder möglich ist.
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Die 3 und 4 zeigen die Koppelfeder lediglich in generischer Darstellung. In der Praxis sind verschiedene technologische Realisierungsformen auf einfache Weise umsetzbar.
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5 zeigt in einem dritten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor mit einer Koppelfeder in der mikromechanischen Funktionsschicht.
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Dargestellt ist eine Ausführungsform, bei der eine Koppelfeder 50 in der mikromechanischen Funktionsschicht P3 ausgebildet ist, welche das erste Masseelement 32 mit dem zweiten Masseelement 33 verbindet. Zwar ist die Koppelfeder aus Gründen der Einfachheit der Zeichnung etwa ähnlich breit wie die Torsionsfeder 42 dargestellt, jedoch weist sie eine deutlich höhere Federsteifigkeit auf. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass sie bei gleicher Breite deutlich kürzer ausgeführt wird. Es kann ferner dadurch erreicht werden, dass sie bedingt durch ihre Geometrie vorrangig nicht auf Torsions-, sondern auf Biege-Belastung reagiert. Es kann ferner dadurch erreicht werden, dass ihre Breite gegenüber der Torsionsfeder erhöht ist.
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6 zeigt in einem vierten Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor mit einer Koppelfeder in einer weiteren mikromechanischen Funktionsschicht.
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Dargestellt ist eine alternative Realisierungsform der Koppelfeder, welche hier in der weiteren mikromechanischen Funktionsschicht P2 als liegende Biegefeder oder Knickfeder ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform weist der z-Beschleunigungssensor analog zu 2 auch federnde Anschläge 28 auf, die in der P2-Ebene realisiert sind. Es ist offensichtlich, dass auch in den vorangegangenen und nachfolgenden Ausführungsbeispielen federnde Anschläge in verschiedenen Ausführungsformen mit dem Grundgedanken der Koppelfeder kombiniert werden können, um die Kleberobustheit des Sensors zu maximieren.
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Die 7 a - d zeigen in einem fünften Ausführungsbeispiel einen erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensor mit drei Masseelementen und zwei Koppelfedern in der mikromechanischen Funktionsschicht.
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Für diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen z-Beschleunigungssensors wurde eine serielle Anordnung von Koppelfedern bestehend aus einer harten Koppelfeder 50 und einer weichen weiteren Koppelfeder 52 gewählt. Die harte Koppelfeder 50 koppelt das zweite Masseelement 33 an das erste Masseelement 32. Die weiche weitere Koppelfeder 52 stellt dann eine nachgiebige Verbindung zwischen dem zweiten Masseelement 33 und einem dritten Masseelement 34 her. Das erste Masseelement 32 und ein weiteres Masseelement 31 bilden dabei einen symmetrischen Wippenteil 30a. Das zweite Masseelement 33 und das dritte Masseelement 34 bilden eine asymmetrische Masse 30b. Die harte Koppelfeder 50 dient der Energieaufnahme bei sehr harten Stößen, beispielsweise bei einem Fallereignis aus großer Höhe. Die weiche weitere Koppelfeder 52 dient dagegen vorrangig der Energieaufnahme bei relativ weichen Stößen, die hinsichtlich des Kleberisikos oftmals kritischer sind. 7a zeigt den z-Beschleunigungssensor im nichtausgelenkten Zustand.
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7b zeigt den z-Beschleunigungssensor im Normalbetrieb in einem ersten Betriebszustand mit ausgelenkter seismischer Masse. Dieser Betriebszustand besteht bei Beschleunigungen innerhalb des Messbereichs des Sensors oder zumindest vor dem mechanischen Anschlagen. Weder die harte noch die weiche Koppelfeder nehmen in diesem Fall signifikant Energie auf.
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7c zeigt den z-Beschleunigungssensor in einem zweiten Betriebszustand mit bis zum Anschlagen 100 ausgelenkter seismischer Masse. Bei Zunahme der Beschleunigungsamplitude gerät die seismische Masse des Sensors, hier das erste Masseelement 32 am Noppenanschlag 38 in mechanischen Kontakt mit der Unterlage. Das dritte Masseelement 34 kann dank der weichen weiteren Koppelfeder 52 zusätzliche Energie aufnehmen und die seismische Masse des Sensors nach Abklingen der Stoßbelastung wieder losrütteln.
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7d zeigt den z-Beschleunigungssensor in einem dritten Betriebszustand bei starker Stoßbelastung. Bei sehr hohen Stoßbelastungen kann sich die gesamte Sensorstruktur in gewissem Rahmen verformen, und das Anschlagsverhalten sowie das Auftreten sehr hoher mechanischer Spannungen im Sensor sind nur schwer zu kontrollieren. Aus diesem Grund ist es zur Gewährleistung der mechanischen Robustheit des Sensors vorteilhaft, einen möglichst großen Teil der kinetischen Energie aus dem Stoßereignis definiert in potentielle Energie umzuwandeln. Beim Auftreten sehr hoher Stoßbelastungen dient die harte Koppelfeder 50 demnach vorrangig dazu, kinetische Energie aus dem Stoß in potentielle Energie in der Koppelfeder umzuwandeln. Dadurch kann die Aufprallenergie an kritischen Bereichen des Sensors, wie hier am zweiten Masseelement 33, reduziert werden. Das mit der weichen weiteren Koppelfeder 52 verbundene dritte Masseelement 34 wird in diesem Fall selbst in den mechanischen Anschlag gehen und ist somit prinzipiell einem Kleberisiko ausgesetzt. Dieses Risiko ist in diesem Fall aber sehr gering. Zum einen hat die harte Koppelfeder 50 viel Energie gespeichert und sorgt ebenfalls für einen Losrüttel-Effekt. Zum anderen ist die Federsteifigkeit der weichen weiteren Koppelfeder 52 deutlich höher als die der Torsionsfeder 42, so dass auch die Rückstellkraft deutlich größer ist.
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Daneben gibt es weitere Ausführungsformen der Erfindung ohne eigene bildliche Darstellung.
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Neben der seriellen Federanordnung von harter und weicher Koppelfeder ist auch eine parallele Anordnung denkbar, bei der sowohl weiche als auch harte Koppelfeder direkt an den symmetrischen Wippenteil angebunden werden.
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Es ist ferner möglich, harte oder auch weiche Koppelfedern aus mehreren Einzelfedern zu bilden.
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In den Ausführungsbeispielen der 3 - 6 war immer die gesamte asymmetrische Masse über eine Koppelfeder an den symmetrischen Wippenteil angebunden. Selbstverständlich ist es im Sinne der Erfindung möglich, einen ersten Teil der asymmetrischen Masse mit dem symmetrischen Wippenteil fest verbunden zu lassen und lediglich einen zweiten Teil der asymmetrischen Masse mit einer Koppelfeder am symmetrischen Wippenteil oder am ersten Teil der asymmetrischen Masse zu verbinden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Substrat
- 15
- Isolationsschicht
- P1
- Leitschicht
- 20
- Bodenelektrode
- P3
- mikromechanische Funktionsschicht
- P2
- weitere mikromechanische Funktionsschicht
- 28
- federnder Anschlag
- 30
- seismische Masse
- 30a
- symmetrischer Wippenteil
- 30b
- asymmetrische Masse
- 31
- weiteres Masseelement
- 32
- erstes Masseelement
- 33
- zweites Masseelement
- 34
- drittes Masseelement
- 38
- Noppenanschlag
- 40
- Drehachse
- 42
- Torsionsfeder
- 50
- Koppelfeder
- 52
- weitere Koppelfeder
- 100
- Anschlagen
- 110
- vergrößerte Auslenkung
- 120
- vergrößerter Abstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0244581 [0001]
- EP 0773443 B1 [0001]
- DE 102008043753 A1 [0004]
- EP 3111232 B1 [0004]
- DE 102012207939 A1 [0004]
