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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von mikromechanischen Bauelementen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 5.
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Mikromechanische Sensoren, wie beispielsweise Drehratensensoren, enthalten mehrere Substratanbindungen, die als Aufhängung für die bewegliche Struktur dienen. Diese Anbindungen sind meist als Federstrukturen realisiert und ermöglichen die Schwingungsbewegung der sogenannten Nutzmoden (Antriebs- und Detektionsmoden). Aufgabe dieser Federstrukturen ist es, die beweglichen Massen in elastischer Weise so mit dem Substrat zu verbinden, dass bei deren Auslenkung lineare Rückstellkräfte gewährleistet sind. Verschieben sich diese Substratanbindungen durch innere mechanische Spannungen aufgrund äußerer Lasten, so können sich die mechanischen Grundeigenschaften des Feder-Masse-Systems verändern. Dies kann z.B. zu Fehlern im Ausgangssignal des Sensors führen.
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Derartige Aufhängungen sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. So wird beispielsweise in
US 2012/0125099 A1 eine Anbindungsform für Torsionsfedern beschrieben und aus der
US 2014/0000367 A1 ist eine Aufhängung bekannt, deren Gestaltung zu einer Verminderung von Quadratureffekten dient. Bestimmte Aufhängungen dieser Art weisen eine gewisse Flexibilität gegenüber spannungsbedingten Verzerrungen des Substrats auf, sind in dieser Hinsicht jedoch stark limitiert. So wird beispielsweise in der
US 2012/0247206 A1 eine Aufhängung beschrieben bei der eine Stressentlastung in sehr geringem Umfang gewährleistet wird, jedoch nur über eine Federverformung quer zu deren Sollauslenkungsrichtung möglich ist. Weitere Stressentlastungsstrukturen, die zumindest eine begrenzte Flexibilität gegenüber Substratverschiebungen erzeugen, sind z.B. aus der
WO 2018/152507 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Auswirkungen von mechanischen Verspannungen, wie sie durch die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) bei mikromechanischen Bauelementen, insbesondere Sensoren wie z.B. Drehratensensoren, auftreten, gegenüber dem Stand der Technik weiter zu minimieren. Dadurch sollen die mechanischen Eigenschaften des Feder-Masse-Systems möglichst robust bzw. unabhängig von Änderungen des Verspannungszustandes realisiert werden.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, der Aufhängung zusätzliche Entlastungselemente hinzuzufügen, die die Nachgiebigkeit gegenüber spannungsbedingten Verzerrungen des Substrats erhöhen. Durch die Federn ist die seismische Masse schwingungsfähig gegenüber dem Substrat gelagert, so dass sie relativ zum Substrat eine Auslenkung in Schwingungsrichtung erfahren kann. Bei der Schwingung kann es sich zum einen um eine z.B. durch einen elektrostatischen Antrieb hervorgerufene Antriebsschwingung oder eine z.B. durch eine äußere Beschleunigung oder Drehung verursachte Detektionsschwingung handeln. Diese Schwingung wird im Folgenden auch als Nutzschwingung bezeichnet, um den Unterschied zu einer mechanischen Vibration in eine von der Antriebs- oder Detektionsrichtung verschiedenen Richtung hervorzuheben. Die Richtung der Schwingung hängt in folgender Weise mit der Beschaffenheit der Aufhängung und insbesondere der Feder zusammen: Um die Nutzschwingung zu ermöglichen, ist die Balkenfeder derart gestaltet, dass sie sich bei einer Auslenkung in Schwingungsrichtung entweder (im Falle einer Translationsschwingung) in eine Richtung quer zu ihrer Haupterstreckungsrichtung elastisch verbiegt oder (im Falle einer Drehschwingung) eine Torsionsbewegung entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung auführt. Die Balkenfeder kann dabei beispielsweise durch einen Einfachbalken, insbesondere mit rechteckigem Querschnitt, gebildet werden oder durch einem Mehrfach-, insbesondere Doppelbalken, bei dem mehrere Teilbalken parallel zueinander verlaufen und voneinander beabstandet sind. Das gemeinsame Merkmal solcher Balkenfedern ist, dass sie bezüglich einer elastischen Verformung in Schwingungsrichtung nachgiebig gestaltet sind und bezüglich ihrer Haupterstreckungsrichtung relativ unnachgiebig sind. Eine spannungsbedingten Verschiebung des Ankerelements in diese relativ starre Richtung erzeugt aufgrund der geringen Nachgiebigkeit zu einer Verzerrung der gesamten schwingungsfähigen Struktur und kann insbesondere eine Verschiebung der Eigenfrequenzen oder eine zusätzliche Kopplung zwischen Antriebs- und Detektionsmode hervorrufen.
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Durch die erfindungsgemäße Aufhängung wird bei Verschiebung von Ankerelementen verhindert, dass Detektions- oder Antriebsstrukturen mit ausgelenkt werden. Im Vordergrund steht dabei die Vermeidung von Auslenkungen, die Änderungen von Gap-Abständen von Detektions- oder Krafteinkopplungselektroden bewirken können und dadurch z.B. die Empfindlichkeit verändern können. Durch die erfindungsgemäßen Entlastungselemente wird die Nachgiebigkeit der starren Richtung gezielt erhöht, so dass Substratverschiebungen bzw. -verzerrung vorteilhafterweise ausgeglichen werden, ohne dass die Eigenschaften des Feder-Masse-Systems wesentlich verändert werden. Gegenüber bisherigen Ansätzen aus dem Stand der Technik kann dies z.B. durch Verwendung zusätzlicher Mäanderstrukturen effektiv umgesetzt werden. Die Gestaltung der Aufhängung und ihrer Entlastungselemente wird im Folgenden bezüglich des Ruhezustandes der seismischen Masse beschrieben, d.h. in einem Zustand, in dem keine Auslenkung der Masse vorliegt und keine der mit einer Auslenkung verbundenen elastischen Verformungen vorhanden sind. Der dynamische Aspekt wird durch Beschreibung der elastischen Verformung der Feder bei einer Auslenkung der Masse, bzw. durch Angabe der elastischen Verformung der Entlastungselemente bei einer Bewegung der Ankerelemente beschrieben. Zu einer Verbiegung eines Elements ist im Allgemeinen eine Richtung angegeben, d.h. die Richtung, in die sich das Element bei der Biegung krümmt. Die Ausführungen, die sich jeweils auf ein einzelnes Ankerelement und eine einzelne Balkenfeder beziehen sind so zu verstehen, dass die Aufhängung auch eine Mehrzahl an Ankerelementen und Balkenfedern aufweisen kann, um die seismische Masse schwingungfähig zu lagern. Ebenso ist denkbar, dass das Bauelement zwei oder mehr seismische Massen aufweist, die jeweils durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufhängung mit dem Substrat verbunden sind. Der Begriff „Haupterstreckungsrichtung“ bezeichnet im Folgenden stets die Haupterstreckungsrichtung der Balkenfeder und verläuft so, dass eine Biegung quer, insbesondere senkrecht, zur Haupterstreckungsrichtung die Nutzschwingung der seismischen Masse ermöglicht. Im Bezug auf die Teilstücke, die sich ebenfalls vornehmlich in eine bestimmte Richtung erstrecken können, wird dagegen der Begriff Längsrichtung verwendet und das jeweilige Element mit angegeben auf dessen Längsrichtung Bezug genommen wird.
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Das mikromechanische Bauelement gemäß Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Nachgiebigkeit gegenüber Bewegungen des Ankerelements durch die Gestaltung des Entlastungselements vorteilhafterweise erhöht wird. Diese zusätzliche Nachgiebigkeit wird dadurch erreicht, dass sich die quer zur Haupterstreckungsrichtung verlaufenden ersten und zweiten Teilstücke in Haupterstreckungsrichtung (und damit quer zu ihrer eigenen Längsrichtung) verbiegen und so eine zusätzliche Flexibilität in in Haupterstreckungsrichtung erzeugen. Die drei Teilstücke können insbesondere einen U-förmigen Verlauf bilden, bei dem das erste und zweite Teilstück zwei Schenkel bilden, die durch das quer dazu verlaufende dritte Teilstück verbunden sind. Eine Belastung in Haupterstreckungsrichtung führt bei dieser Gestaltung zu einer elastischen Verformung des Entlastungselements, bei der sich die beiden Schenkel entweder voneinander weg krümmen (Spreizbewegung) oder aufeinander zu krümmen. Eine Biegung des dritten Teilstück kann diese zusätzliche Flexibilität in Haupterstreckungsrichtung weiter erhöhen. Denkbar ist auch, dass sich bei einer solchen Belastung nur einer der beiden Schenkel verbiegt und sich auf den jeweils anderen Schenkel hin oder von diesem weg krümmt. Alternativ kann das Entlastungselement ein viertes Teilstück aufweisen und die vier Teilstücke eine geschlossene Form wie beispielsweise ein Rechteck bilden, bei dem jeweils das erste und zweite Teilstück und das dritte und vierte Teilstück parallel zueinander verlaufen. Diese Form wird nachfolgend vereinfachend als O-Form bezeichnet. Die an das Entlastungselement angrenzenden Elemente (z.B. die benachbarten Abschnitte der Balkenfeder) sind mit dem Entlastungselement inbesondere in der Mitte des ersten Teilstücks und in der Mitte des zweiten Teilstücks verbunden (die Mitte, bzw. Mittelpunkte ist hier bezüglich der Längsrichtung der Teilstücke zu verstehen). Bei einer Belastung in Haupterstreckungsrichtung erfahren das erste und das zweite Teilstück in ihre Mitte entsprechend eine Druck- oder Zugbelastung, so dass sich die Elemente nach innen bzw. außen verbiegen, d.h. dass sich die Mittelpunkte des ersten und zweiten Teilstücks annähern bzw. voneinander entfernen, während die Enden des ersten und zweiten Teilstücks durch das dritte und vierte Teilstück im Wesentlichen auf einem unveränderten Abstand gehalten werden.
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind verschiedene Gestaltungen der Aufhängung, bei denen die Form und Positionierung des Entlastungselements variiert. Alle nachfolgenden Ausführungen sind im Wesentlichen miteinander kombinierbar. Die Balkenfeder kann entweder aus einem einzigen, in Haupterstreckungsrichtung verlaufenden Balken bestehen oder mindestens zwei oder mehr, parallel zur Haupterstreckungsrichtung verlaufende Teilbalken umfassen, die jeweils durch kürzere, quer zur Haupterstreckungsrichtung verlaufende Abschnitte verbunden sind, so dass sich ein mäanderförmiger Verlauf ergibt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste Teilstück von dem Ankerelement gebildet oder schließt unmittelbar an das Ankerelement an oder ist durch einen parallel zur Haupterstreckungsrichtung verlaufenden Abschnitt der Balkenfeder mit dem Ankerelement verbunden, wobei das zweite Teilstück von einem quer zur Haupterstreckungsrichtung der Balkenfeder verlaufenden Abschnitt der Balkenfeder gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform ist das Entlastungselement in unmittelbarer Nähe des Ankerelements angeordnet, bzw. fällt mit diesem teilweise zusammen. Im ersten Fall wird der erste Schenkel von dem Ankerelement selbst gebildet, d.h. das dritte, insbesondere in Haupterstreckungsrichtung verlaufende Teilstück des Entlastungselements ist zwischen dem Ankerelement und dem zweiten Teilstück angeordnet, wobei sich an das zweite Teilstück der Rest der Balkenfeder anschließt, so dass eine Belastung in Haupterstreckungsrichtung dazu führt, dass sich das zweite Teilstück vom Ankerelement abspreizt und so zusätzliche Flexibilität in diese Richtung geschaffen wird. Im zweiten Fall ist ein U-förmiges Entlastungselement zwischen dem Ankerelement und dem Rest der der Balkenfeder angeordnet, wobei das erste Teilstück unmittelbar mit dem Ankerelement verbunden ist und sich der Rest der Balkenfeder and das Entlastungselement anschließt. Im dritten Fall ist ein U- oder O-förmiges Entlastungselement zwischen dem Ankerelement und dem Rest der der Balkenfeder angeordnet, wobei vom Ankerelement aus zunächst ein Abschnitt in Haupterstreckungsrichtung zum Entlastungselement in verläuft und sich nach dem Entlastungselement der Rest der Balkenfeder anschließt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Aufhängung ein weiteres Entlastungselement auf, wobei ein erstes Teilstück des weiteren Entlastungselements unmittelbar an die seismischen Masse anschließt oder durch einen parallel zur Haupterstreckungsrichtung verlaufenden Abschnitt der Balkenfeder mit der seismischen Masse verbunden ist, wobei das zweite Teilstück von einem quer zur Haupterstreckungsrichtung verlaufenden Abschnitt der Balkenfeder gebildet wird. Diese Ausführungsform ähnelt der davor beschriebenen Gestaltung, wobei hier jedoch das Entlastungselement in der Nähe der seismischen Masse angeordnet ist. Beispielsweise kann ein U-förmiges Entlastungselement zwischen der seismischen Masse und dem Rest der Balkenfeder angeordnet sein, wobei das erste Teilstück unmittelbar mit der seismischen Masse verbunden ist und sich nach dem Entlastungselement der Rest der Balkenfeder anschließt. Möglich ist auch, dass ein U- oder O-förmiges Entlastungselement zwischen der seismischen Masse und dem Rest der der Balkenfeder angeordnet ist, wobei von der seismischen Masse aus zunächst ein Abschnitt in Haupterstreckungsrichtung zum Entlastungselement in verläuft und sich der Rest der Balkenfeder am das Entlastungselement anschließt. Denkbar ist zudem, dass der erste Schenkel von dem Ankerelement selbst gebildet wird, d.h. dass das dritte, insbesondere in Haupterstreckungsrichtung verlaufende Teilstück des Entlastungselements zwischen der seismischen Masse und dem zweiten Teilstück angeordnet ist, wobei sich an das zweite Teilstück der Rest der Balkenfeder anschließt. Eine Belastung in Haupterstreckungsrichtung führt hierbei dazu, dass sich das zweite Teilstück von der seismischen Masse abspreizt und so zusätzliche Flexibilität in diese Richtung schafft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Balkenfeder einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste und zweite Abschnitt parallel zur Haupterstreckungsrichtung des Federbalkens verlaufen und über ein weiteres, zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt angeordneten Entlastungselement verbunden sind, wobei das weitere Entlastungselement ein erstes, zweites, drittes, viertes und fünftes Teilstück aufweist, wobei das erste, dritte und fünfte Teilstück quer zur Haupterstreckungsrichtung verlaufen und das zweite und vierte Teilstück parallel zur Haupterstreckungsrichtung verlaufen, wobei das erste und dritte Teilstück durch das zweite Teilstück und das dritte und fünfte Teilstück durch das vierte Teilstück miteinander verbunden sind, wobei sich bei der Verschiebung des Ankerelements das erste und zweite und/oder das zweite und fünfte Teilstück durch eine elastische Verbiegung aufeinander zu oder voneinander weg bewegen. Insbesondere bildet der erste und zweite Abschnitt einen U-förmigen Verlauf, an dessen Basis das aus den fünf Teilstücken gebildete Entlastungselement angeordnet ist. Der erste und zweite Abschnitt bilden zwei, insbesondere aus langen Einzel- oder Doppelbalken bestehende Schenkel des Federbalkens, die über das Entlastungselement verbunden sind. Ein erstes Ende des ersten Abschnitts ist dabei mit dem Ankerelement verbunden, wärend das entgegengesetzte zweite Ende mit dem Entlastungselement verbunden ist. Ein erstes Ende des zweiten Abschnitts ist mit der seismischen Masse verbunden, während das entgegengesetzte zweite Ende mit dem Entlastungselement verbunden ist. Bei einer Auslenkung der seismischen Masse verbiegen sich sowohl der erste, als auch der zweite Abschnitt der Balkenfeder und krümmen sich aufeinander zu, bzw. voneinander weg. Denkbar ist sind auch Konfigurationen mit mehr als zwei Abschnitten, bei denen jeweils der erste Abschnitt mit dem Ankerelement verbunden ist, der letzte Abschnitt mit der seismischen Masse verbunden ist und die Abschnitte untereinander, insbesondere an ihren Enden, durch Entlastungselemente miteinander verbunden sind.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 5. Für Torsionsfedern, die sich bei einer Drehschwingung der Masse in ihrer Haupterstreckungsrichtung elastisch verdrillen, ist das erfinderische Konzept analog anwendbar. Statt die seismische Masse mit einer direkten Verbindung über einen langen Balken oder ein, durch einen Balken und einen Querbalken gebildetes T-Stück mit dem Ankerelement bzw. zwei Ankerelementen zu verbinden, werden dem Verlauf der Balkenfeder und/oder dem zwischen zwei Ankerelementen angeordneten Querbalken zusätzliche Entlastungselemente hinzugefügt, so dass sich beispielsweise ein mäanderförmiger Querbalken ergibt. Der Federbalken für die Drehschwingung ist bezüglich einer Torsionsbewegung nachgiebig, weist jedoch bezüglich seiner Haupterstreckungsrichtung nur eine geringe Nachgiebigkeit auf. Diese Nachgiebigkeit kann in begrenztem Umfang erhöht werden, dass der Federbalken beispielsweise mit einem Querbalken verbunden ist, der sich wiederum zumindest in eingeschränktem Maße verbiegen kann und so für eine zusätzliche Flexibilität in Haupterstreckungsrichtung sorgt. Durch Hinzufügen des erfindungsgemäßen Entlastungselements kann diese Flexibilität entscheidend verbessert werden. Die elastische Deformation des Entlastungselements ist in diesem Fall im Wesentlichen dieselbe, wie bei den oben beschriebenen Gestaltungen für den Fall einer Translationsschwingung. Insbesondere verbiegen sich das erste und zweite Teilstück des Entlastungselements gegeneinander und bewegen sich dabei aufeinander zu oder voneinander weg. Durch diese Verformung stellt das das Entlastungselement quer zum ersten und zweiten Teilstück (und insbesondere parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Balkenfeder) einen zusätzlichen Bewegungsspielraum zur Verfügung, durch den spannungsbedingte Verzerrungen oder Verschiebungen des Substrats ausgeglichen werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Entlastungselement in einem mittleren Bereich der Balkenfeder angeordnet und weist einen viertes Teilstück auf, wobei das dritte Teilstück ein erstes Ende des ersten Teilstücks mit einem ersten Ende des zweiten Teilstücks verbindet und das vierte Teilstück ein zweites Ende des ersten Teilstücks mit einem zweiten Ende des zweiten Teilstücks verbindet. Anders ausgedrückt weist die Balkenfeder in ihrem mittleren Bereich ein O-förmiges Entlastungselement auf, das beispielsweise die Form eines Rechtecks haben kann, dessen Seiten von den vier Teilstücken gebildet werden. Dabei ist das Entlastungselement insbesondere zwischen zwei Teilabschnitten der Balkenfeder angeordnet, wobei der erste Teilabschnitt mit dem ersten Teilstück in einem mittleren Bereich des ersten Teilstücks verbunden ist und der zweite Teilabschnitt mit dem zweiten Teilstück in einem mittleren Bereich verbunden ist. Dabei ist vorzugsweise ein Ende des ersten Teilstücks über das dritte Teilstück mit einem Ende des zweiten Teilstücks verbunden, während das entgegengesetzte Ende des ersten Teilstücks mit dem entsprechenden anderen Ende des zweiten Teilstücks durch das vierte Teilstück verbunden ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Balkenfeder mit einem Steg der seismischen Masse verbunden, wobei insbesondere ein erstes Ende des Stegs mit der seismischen Masse verbunden ist und/oder ein zweites Ende des Stegs mit der seismischen Masse verbunden ist, wobei der Steg derart gestaltet ist, dass er sich bei der Verschiebung des Ankerelements in Richtung parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Balkenfeder verbiegt. Insbesondere ist der Steg durch eine Ausnehmung der seismischen Masse gebildet, d.h. die Masse weist vorzugweise in der Nähe ihres Randes eine durchgehende Ausnehmung auf, wobei der Bereich zwischen der Ausnehmung und dem Rand den flexiblen Steg bildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Aufhängung ein weiteres Ankerelement und einen Querbalken, wobei der Querbalken zwischen dem Ankerelement und dem weitere Ankerelement angeordnet ist, wobei die Balkenfeder mit dem Querbalken in einem mittleren Bereich des Querbalkens verbunden ist, wobei der Querbalken das Entlastungselement und ein weiteres Entlastungselement aufweist. Die Aufhängung weist bei dieser Ausführungsform also eine T-Form auf, bei der der Querbalken und die Balkenfeder quer zueinander verlaufen und insbesondere senkrecht aufeinander stehen. Die Balkenfeder ist vorzugsweise in einem in der Mitte (bezüglich der Längsrichtung des Querbalkens) des Querbalkens angeordneten Verbindungspunkt mit dem Querbalken verbunden und der Querbalken erstreckt sich zwischen den beiden Ankerelementen, wobei ein erstes Ende des Querbalkens mit dem Ankerelement und ein entgegengesetztes Ende mit dem weiteren Ankerelement verbunden ist. Zwischen dem Ankerelement und dem Verbindungspunkt ist das (beispielsweise U-förmige) Entlastungselement angeordnet und zwischen dem Verbindungspunkt und dem weiteren Ankerelement ist ein weiteres, vorzugsweise identisch gestaltetes Entlastungselement angeordnet. Auf diese Weise ergibt sich ein mäanderförmiger Verlauf des Querbalkens, der für eine zusätzliche Flexibilität sorgt, indem er sich bei einer Verzerrung des Subtrats in Haupterstreckungsrichtung verbiegt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform schließt das erste Teilstück des Entlastungselements unmittelbar an das Ankerelement an oder ist durch einen parallel zur Längsrichtung des Querbalkens verlaufenden Abschnitt mit dem Ankerelement verbunden, wobei das erste Teilstück des weiteren Entlastungselements unmittelbar an das weitere Ankerelement anschließt oder durch einen parallel zur Längsrichtung des Querbalkens verlaufenden Abschnitt mit dem weiteren Ankerelement verbunden ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt zwei aus dem Stand der Technik bekannte Gestaltungen der Aufhängungen einer, zu einer Drehschwingung anregbaren seismischen Masse.
- 2 illustriert Nachteile des Standes der Technik anhand von Aufhängungen für Translations- bzw. Drehschwingungen.
- 3 zeigt verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aufhängung einer, zu einer Drehschwingung anregbaren seismischen Masse.
- 4 zeigt zwei mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aufhängung einer, zu einer Translationsschwingung anregbaren seismischen Masse.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1a und 1b zeigt zwei mögliche Formen einer Aufhängung für eine drehbar gelagerte Masse 1. In der 1a ist die die seismische Masse 1 über eine einfache Balkenfeder 2 mit dem substratfesten Ankerelement 3 verbunden.
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Durch eine Torsionsbewegung der Feder 2 ist die Masse 1 in der Lage, die durch den Doppelpfeil 21 angedeutete Drehschwingung auszuführen. Diese Ausführungsform weist keinerlei Stressentlastung auf. Die Aufhängung in 1b besteht aus zwei Ankerelementen 3, 3', die durch den Querbalken 9 miteinander verbunden sind. Der Querbalken 9 ist in seiner Mitte über die Balkenfeder 2 mit der seismischen Masse verbunden. Diese Ausführungsform ermöglicht eine begrenzte Stressentlastung aufgrund des T-förmigen Endstücks 2, 9, das eine gewisse Nachgiebigkeit bei Zug- oder Druckspannungen in der Ebene ermöglicht.
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Die 2a und 2b illustrieren Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Aufhängungen. Die Federanbindung in 2a besteht aus einer, von zwei parallelen Abschnitten gebildeten Balkenfeder 2, deren elastische Verbiegung die Nutzschwingung 20 der Masse 1 ermöglicht. Aufgrund der geringen Nachgiebigkeit in Balkenrichtung 4 erzeugt eine durch spannungsbedingte Substratverzerrungen hervorgerufene Verschiebung 22 des Ankerelements 3 eine Verzerrung der beweglichen Struktur 2, 1 und setzt damit die Genauigkeit der Sensorik herab.
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In 2b ist die Anordnung aus 1b bei einer spannungsbedingten relativen Verschiebung 22 zwischen Masse 1 und Ankerelementen 3, 3' dargestellt. Ab einer gewissen Stärke der Verschiebung 22 wird das T-Stück zunehmend auf Zug belastet (angedeutet durch die Doppelpfeile). Dies hat zur Folge, dass die effektive Steifigkeit für diese Bewegungsrichtung stark zunimmt und damit der Stressentlastungseffekt immer weiter schwindet. Auch hierdurch kann es zu unerwünschten Fehlerbildern kommen.
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Sowohl aus 2a, als auch 2b wird deutlich, dass eine Stressentlastung nur durch Stauchung bzw. Streckung der elastischen Komponenten 2, 9 möglich ist. Aufgrund solcher Stauchungs- bzw. Streckungseffekte ist es möglich, dass sich mechanische Grundeigenschaften stark ändern. Die erfindungsgemäßen Entlastungselemente 6, 6' dienen dazu, die Aufhängung bezüglich dieser Deformationen nachgiebiger zu gestalten.
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Die 3a bis 3d zeigen diverse alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aufhängung als Verbesserung zur Situation aus 2b.
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In 3a weist der Querbalken 9 zwei Entlastungselemente 6, 6', die jeweils unmittelbar an die Ankerelemente 3 bzw. 3' anschließen. Die Entlastungselement 6 ist identisch zu dem weiteren Entlastungselement 6' aufgebaut und weist ein erstes, zweites und drittes Teilstück 11, 12, 13 auf, wobei das erste Teilstück 11 direkt mit dem Ankerpunkt 3 verbunden ist. Das zweite Teilstück 12 verläuft parallel zum ersten Teilstück 11 und ist mit diesem über das dritte Teilstück 13 verbunden, so dass sich ein U-förmiger Verlauf ergibt. Der Querbalken weist also entlang seiner Längsrichtung 4' zwei solcher U-förmigen Strukturen 6, 6' auf, so dass eine Mäanderform entsteht, die bei einer Belastung in Haupterstreckungsrichtung der Balkenfeder 2 wesentlich flexibler reagiert als der gerade Verlauf des Querbalkens 9 aus 2b.
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In 3b ist die Konfiguration aus 3a durch ein weiteres Element ergänzt. Die Balkenfeder 2 ist bei dieser Ausführungsform mit einem Steg 10 der seismischen Masse 1 verbunden, wobei sowohl das erste Ende, als auch das zweite Ende des Stegs 10 mit der seismischen Masse 1 verbunden sind. Der Steg ist durch eine Ausnehmung 10' der seismischen Masse 1 gebildet, d.h. die Masse weist in der Nähe ihres Randes eine durchgehende Ausnehmung 10' auf, wobei der Bereich zwischen der Ausnehmung 10' und dem Rand den flexiblen Steg 10 bildet. Der Steg 10 verbiegt sich bei einer Verschiebung des Ankerelements 3 und schafft so zusätzliche Flexibilität gegenüber Substratverzerrungen.
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Der Aufbau in 3c ist ähnlich zu dem in 3a mit dem Unterschied, dass die U-förmigen Entlastungselemente 6, 6' nicht unmittelbar an die Ankerelemente 3, 3' anschließen, sondern jeweils durch einen parallel zur Längsrichtung 4' des Querbalkens 9 verlaufenden Abschnitt 16 bzw. 16' mit dem Ankerelement 3 bzw. 3' verbunden sind.
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Die 4a bis 4c zeigen diverse alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aufhängung als Verbesserung zur Situation aus 2a.
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In 4a bildet das Ankerelement 3 das erste Teilstück des Entlastungselements 6. Der Ankerpunkt 3 ist über das dritte Teilstück 13 mit dem zweiten Teilstück 12 verbunden und bildet mit diesem zusammen eine U-Form. Bei einer Belastung bzw. Verschiebung des Ankerelements parallel zur Haupterstreckungsrichtung 4 spreizt sich das zweite Teilstück 12 von dem Ankerelement ab (bzw. bewegt sich auf dieses zu) und kompensiert auf diese Weise die spannungsbedingte Verschiebung des Substrats.
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In 4b schließt das Entlastungselement 6 nicht wie in 4a unmittelbar an das Ankerelement 3 an, sondern ist durch einen parallel zur Haupterstreckungsrichtung 4 verlaufenden Abschnitt 16 der Balkenfeder 2 mit dem Ankerelement 3 verbunden. Zusätzlich weist die Aufhängung ein zweites Entlastungselement 6' auf, das in analoger Weise mit der seismischen Masse 1 verbunden ist.
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Bei der Aufhängung 4c sind der erste und zweite Abschnitt 7, 8 der Balkenfeder 2 durch ein dazwischen angeordnetes Entlastungselement 6' verbunden. Das Entlastungselement 6' weist ein erstes, zweites, drittes, viertes und fünftes Teilstück 11, 12, 13, 14, 15 aufweist, wobei das erste, zweite und fünfte Teilstück 11, 12, 15 quer zur Haupterstreckungsrichtung 4 verlaufen und das dritte und vierte Teilstück 13, 14 parallel zur Haupterstreckungsrichtung 4 verlaufen, wobei das erste und zweite Teilstück 11, 12 durch das dritte Teilstück 13 und das zweite und fünfte Teilstück 12, 15 durch das vierte Teilstück 14 miteinander verbunden sind. Bei einer Verschiebung des Ankerelements 3 bewegen sich das erste und zweite 11, 12 und/oder das zweite und fünfte Teilstück 12, 15 durch eine elastische Verbiegung aufeinander zu oder voneinander weg.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0125099 A1 [0003]
- US 2014/0000367 A1 [0003]
- US 2012/0247206 A1 [0003]
- WO 2018/152507 A1 [0003]
