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Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor mit Anschlagstruktur.
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Stand der Technik
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Die meisten in der MEMS Technologie hergestellten Inertialsensoren bestehen aus Feder-Masse-Systemen, bei denen bewegliche Strukturen an mechanischen Federn aufgehangen sind. Bei Anliegen der zu sensierenden Messgröße werden Strukturen ausgelenkt. Diese mechanische Auslenkung wird (z. B. kapazitiv oder piezoelektrisch) in ein elektrisches Signal gewandelt und kann mittels geeigneter Auswerteschaltungen weiterverarbeitet werden. Bei Beschleunigungssensoren (CMA) werden beispielsweise bei einer externen Beschleunigung die sog. seismische Masse und die zugehörigen mechanischen Federn ausgelenkt. Die Rückstellkraft der Federn führt dazu, dass die Masse nach Entfall der externen Beschleunigung wieder zum Ausgangszustand in Ruhelage zurückkehrt. Bei Überlast kann die Auslenkung so groß werden, dass es zu einem Anschlagen an Feststrukturen (oder ggf. auch an anderen beweglichen Strukturen) kommt. Für diesen Fall werden üblicherweise mechanische Anschläge vorgehalten, die zur kontrollierten Bewegungseinschränkung dienen und insbesondere verhindern sollen, dass es z. B. zwischen Nutzelektroden (z. B. Detektions- oder Testelektroden) zu einem Kurzschluss kommen kann.
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Ein seit langem - insbesondere in der Beschleunigungs-Sensorik - vorherrschendes Problem ist, dass es bei Kontakt zwischen den beweglichen und den Anschlagsstrukturen zu sogenanntem Kleben kommen kann.
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Unter Kleben versteht man, dass sich Strukturen nach mechanischem Kontakt nicht mehr voneinander lösen, da an der Grenzfläche Haftkräfte entstehen, die größer als die Rückstellkraft der ausgelenkten Federn sind. Dieses Kleben kann bereits während der Fertigung (z. B. Wafersägen, Drahtbonden, Up-Picking, etc.) oder den Prüfschritten (z. B. Snap-Release-Test beim Vormessen) sowie auch im Feld passieren. Wenn das Kleben dauerhaft bestehen bleibt, ist der betroffene Sensor defekt. Durch diesen Klebe-Effekt sind in der Vergangenheit bereits sehr hohe Ausbeuteverluste entstanden bzw. kam es zu Kundenbeanstandungen oder drohenden Projektverlusten. Zahlreiche Taskforces waren bereits diesem Thema gewidmet. Neben Design-technischen Maßnahmen wurden auch chemische Ansätze entwickelt, bei denen man mit Beschichtungen der Kontaktflächen versucht, die Haftneigung zu reduzieren. Jedoch auch der Beschichtungsansatz bietet Einschränkungen und garantiert keinen 100%-igen Schutz gegen Kleben - u. a. durch die Tatsache, dass sich diese Anti-Haftschichten bei wiederholtem Anschlagen abnutzen. Eine vollumfängliche Beseitigung dieses Problems ist aus dem Stand der Technik bislang nicht bekannt.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt, ein Kleben zwischen der seismischen Masse und einer Anschlagstruktur eines Beschleunigungssensors zu lösen.
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Aus der Druckschrift
DE 4431327 A1 ist ein mikromechanischer Beschleunigungssensor mit einer Anti-Klebe-Vorrichtung bekannt.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen mikromechanischen Sensor mit einer Anschlagstruktur mit verbesserten Klebelösungseigenschaften bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch den mikromechanischen Sensor gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein mikromechanischer Sensor mit einer Anschlagstruktur bereitgestellt, wobei der Sensor umfasst: ein Substrat, eine gegenüber dem Substrat federnd auslenkbare seismische Masse und eine am Substrat ausgebildete Anschlagstruktur zum Begrenzen einer Auslenkung der seismischen Masse, wobei die Anschlagstruktur umfasst:
- ein Wirkelement mit einem Primäranschlag mit einem ersten Ruheabstand zur seismischen Masse und einem Sekundäranschlag mit einem zweiten Ruheabstand zur seismischen Masse, wobei über einen Anschlag der seismischen Masse am Primäranschlag das Wirkelement in einen ersten Auslenkungszustand ausgelenkt ist, wobei über einen Anschlag der seismischen Masse am Sekundäranschlag das Wirkelement in einen zweiten Auslenkungszustand ausgelenkt ist, und wobei im zweiten Auslenkzustand eine Rückstellkraft des Wirkelements gegenüber dem ersten Auslenkzustand erhöht ist.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass ein mikromechanischer Sensor mit verbesserter Anschlagstruktur bereitgestellt werden kann, die verbesserte Anti-Klebeeigenschaften aufweist. Über die Ausgestaltung der Anschlagstruktur mit einem Primäranschlag und einem Sekundäranschlag wird erreicht, dass eine Anschlagfläche zwischen der seismischen Masse und der Anschlagstruktur auf eine Mehrzahl von Anschlägen verteilt werden kann. Da ein Klebeeffekt zwischen der seismischen Masse und der Anschlagstruktur u. a. mit der Kontaktfläche zwischen der seismischen Masse und der Anschlagstruktur während eines Anschlagens der seismischen Masse an die Anschlagstruktur korreliert, indem eine größere Kontaktfläche zu einer größeren Klebewirkung führt, kann über die Verteilung der Kontaktfläche auf verschiedene Anschläge eine Klebewirkung für jeden kontaktierten Anschlag der Anschlagstruktur verringert werden.
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Indem der Primäranschlag und der Sekundäranschlag unterschiedliche Ruheabstände zur seismischen Masse aufweisen, wird erreicht, dass eine zeitlich nacheinander erfolgende Kontaktierung der seismischen Masse mit zunächst dem Primäranschlag und darauffolgend mit dem Sekundäranschlag bei Auslenkung der seismischen Masse erfolgt bzw. ein Ablösen des Primäranschlags bzw. des Sekundäranschlags von der seismischen Masse, wenn diese nach Anschlagen an die Anschlagstruktur in die Ruheposition zurückbeschleunigt wird, erreicht werden kann. Durch das nacheinander erfolgende Ablösen des Primäranschlags und des Sekundäranschlags von der seismischen Masse kann eine Gesamtklebewirkung zwischen der seismischen Masse und der Anschlagstruktur verringert werden, indem die Klebewirkung, die zwischen dem Primäranschlag bzw. dem Sekundäranschlag und der seismischen Masse besteht, zeitlich nacheinander gelöst wird.
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Da die Klebewirkung zwischen der seismischen Masse und dem Primäranschlag bzw. der seismischen Masse und dem Sekundäranschlag jeweils geringer ist als die Gesamtklebewirkung zwischen der seismischen Masse und der Anschlagstruktur, die sich aus den Klebewirkungen zwischen der seismischen Masse und den Primär- bzw. Sekundäranschlägen ergibt, wird für die Lösung der Primär- bzw. Sekundäranschläge von der seismischen Masse jeweils eine geringere Lösekraft benötigt, als dies für eine Überwindung der Gesamtklebewirkung zwischen der seismischen Masse und der Anschlagstruktur benötigt würde. Hierdurch wird das Lösen bzw. Überwinden der Klebewirkung zwischen der seismischen Masse und der Anschlagstruktur weiter erleichtert.
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Durch das Erhöhen der Rückstellkraft des Wirkelements durch die Kontaktierung des Sekundäranschlags durch die seismische Masse und die Auslenkung des Wirkelements in den zweiten Auslenkzustand wird erreicht, dass die seismische Masse durch das Wirkelement aus dem zweiten Auslenkzustand mit einer höheren Rückstellkraft in die Ruhelage zurückbeschleunigt werden kann, sodass aufgrund der höheren Beschleunigung der seismischen Masse in Richtung der Ruhelage ein Überwinden der Klebewirkung zwischen der seismischen Masse und der Anschlagstruktur und ein Lösen der Primär- bzw. Sekundäranschläge von der seismischen Masse verbessert wird. Hierdurch werden wiederum die Anti-Klebeeigenschaften der Anschlagstruktur verbessert.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Wirkelement als eine elastisch federnde Balkenstruktur mit einem Biegebalken ausgebildet, an dem der Primäranschlag und der Sekundäranschlag angeordnet sind.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass ein technisch einfaches Wirkelement bereitgestellt werden kann. Über die elastisch federnde Balkenstruktur mit einem Biegebalken, an dem die Primär- und Sekundäranschläge angeordnet sind, kann über Anschlag der seismischen Masse an die Primär- und Sekundäranschläge eine Rückstellkraft entwickelt werden, die die seismische Masse aus der Auslenkung in eine Ruhelage zurückbeschleunigt. Über den Biegebalken ist eine einfach zu fertigende und robuste, elastisch federnde Anschlagstruktur ermöglicht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Biegebalken über zwei zueinander beabstandete Stützelemente am Substrat angeordnet und parallel oder nahezu parallel zum Substrat ausgerichtet.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass eine einfach zu fertigende und robuste federnde Anschlagstruktur bereitgestellt werden kann. Über die Ausbildung des Biegebalkens in paralleler Orientierung und über die Anordnung des Biegebalkens an zwei zueinander beabstandeten Stützelementen kann die Robustheit der federnden Anschlagstruktur weiter erhöht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Sekundäranschlag als ein erster Sekundäranschlag und ein zweiter Sekundäranschlag ausgebildet, wobei der erste Sekundäranschlag und der zweite Sekundäranschlag an jeweils einem Ende des Biegebalkens angeordnet sind, und wobei der Primäranschlag zwischen den zwei zueinander beabstandeten Stützelementen angeordnet ist.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass über die Verteilung der Kontaktierung der Anschlagstruktur durch die seismische Masse auf einen Primäranschlag und zwei Sekundäranschläge können sowohl die Kontaktflächen zwischen den einzelnen Anschlägen und der seismischen Masse wie auch die Andruckkräfte, die auf die einzelnen Anschläge wirken, weiter verringert werden, sodass eine Klebewirkung zwischen der seismischen Masse und jedem der Primär- bzw. Sekundäranschläge weiter verringert werden kann. Durch die Ausbildung des Primäranschlags zwischen den zwei zueinander beabstandeten Stützelementen und der beiden Sekundäranschläge an den jeweils gegenüberliegenden Enden des Biegebalkens wird erreicht, dass bei Auslenkung des Wirkelements in den zweiten Auslenkzustand eine Steifigkeit des Biegebalkens erhöht wird. Durch die erhöhte Steifigkeit kann eine Rückstellkraft des Biegebalkens im zweiten Auslenkzustand erhöht werden, wodurch eine erhöhte Beschleunigung der seismischen Masse aus der Auslenkung in Richtung der Ruhelage durch die Rückstellkraft des Biegebalkens erhöht wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Balkenstruktur ferner einen Festanschlag, der am Substrat zwischen den zueinander beabstandeten Stützelementen angeordnet ist.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass über den Festanschlag eine Beschädigung der Anschlagstruktur durch eine übermäßige Auslenkung der seismischen Masse verhindert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Wirkelement als eine Wippenstruktur ausgebildet, wobei die Wippenstruktur einen Schwenkbalken aufweist, der über ein Stützelement um einen Schwenkpunkt schwenkbar am Substrat angeordnet ist, und an dem der Primäranschlag und der Sekundäranschlag ausgebildet sind.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass eine möglichst einfach zu fertigende Ausgestaltung der Anschlagstruktur bzw. des Wirkelements erreicht werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform sind durch den Schwenkpunkt ein erster Schenkel und ein zweiter Schenkel des Schwenkbalkens definiert, wobei der Primäranschlag am ersten Schenkel und der Sekundäranschlag am zweiten Schenkel des Schwenkbalken ausgebildet sind.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass durch einen Anschlag der seismischen Masse an den Primäranschlag eine Schwenkbewegung des Schwenkbalkens der Wippenstruktur ausgelöst wird, die den Sekundäranschlag in Richtung der seismischen Masse beschleunigt, sodass ein Anschlag der seismischen Masse am Sekundäranschlag bewirkt wird. Hierdurch wird erreicht, dass der Sekundäranschlag mit einem entgegen der Bewegungsrichtung der seismischen Masse orientierten Impuls an die seismische Masse anschlägt. Über diesen zusätzlichen Impuls des Sekundäranschlags kann die Klebewirkung zwischen der seismischen Masse und dem Sekundäranschlag oder die Klebewirkung zwischen der seismischen Masse und dem Primäranschlag verringert werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass entweder ein Lösen des Sekundäranschlags von der seismischen Masse oder ein Lösen des Primäranschlags von der seismischen Masse begünstigt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist am zweiten Schenkel des Schwenkbalkens eine Schwungmasse ausgebildet.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass über die am zweiten Schenkel des Schwenkbalkens ausgebildete Schwungmasse der durch den Anschlag der seismischen Masse am Primäranschlag erzeugte Impuls des Sekundäranschlags weiter vergrößert wird. Durch den vergrößerten Impuls des Sekundäranschlags kann ein Lösen des Primäranschlags von der seismischen Masse oder ein Lösen des Sekundäranschlags von der seismischen Masse weiter begünstigt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der erste Schenkel kürzer als der zweite Schenkel ausgebildet.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass durch Anschlag der seismischen Masse am Primäranschlag der entgegen der Bewegungsrichtung der seismischen Masse orientierte Impuls des Sekundäranschlags erhöht wird. Hierdurch kann das Lösen des Primäranschlags von der seismischen Masse oder des Sekundäranschlags von der seismischen Masse durch den erhöhten Impuls des Sekundäranschlags weiter verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Wirkelement eine weitere Wippenstruktur auf, wobei die zwei Wippenstrukturen identisch ausgebildet sind und gegenüberliegend angeordnet sind, und wobei die beiden Primäranschläge einander zugewandt mittig zur seismischen Masse angeordnet sind.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass durch die zwei Wippenstrukturen, die identisch ausgebildet und gegenüberliegend angeordnet sind, eine gleichmäßige Auslenkung der Anschlagstruktur erreicht wird. Darüber hinaus kann die Anzahl der Primär- bzw. Sekundäranschläge weiter erhöht werden, wodurch die Klebewirkungen zwischen den einzelnen Anschlägen und der seismischen Masse wiederum weiter verringert werden können, wodurch ein Lösen der einzelnen Anschläge von der seismischen Masse weiter erleichtert wird.
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Hierdurch können somit wiederum Anti-Klebeeigenschaften der Anschlagstruktur weiter verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind der Primäranschlag und der Sekundäranschlag jeweils als ein Anschlagstift ausgebildet, wobei der Primäranschlag eine größere Länge als der Sekundäranschlag aufweist, und wobei der Primäranschlag eine Anschlagfläche aufweist, die größer oder kleiner oder gleich einer Anschlagfläche des Sekundäranschlags ist.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass ein zeitlich versetztes Anschlagen der seismischen Masse am Primäranschlag und am Sekundäranschlag erreicht wird. Durch die Variierbaren Größen der Anschlagflächen der Primär- und Sekundäranschläge kann eine Klebewirkung zwischen der seismischen Masse und den Primär- und Sekundäranschlägen variiert werden
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Gemäß einer Ausführungsform ist der mikromechanische Sensor ein Inertialsensor.
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Hierdurch wird der technische Vorteil erreicht, dass ein mikromechanischer Inertialsensor bereitgestellt werden kann, der eine Anschlagstruktur mit verbesserten Anti-Klebeeigenschaften und den oben genannten Vorteilen aufweist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Sensors gemäß einer Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer Funktionsweise einer Anschlagstruktur des mikromechanischen Sensors in 1;
- 3 eine schematische Seitenansicht des mikromechanischen Sensors gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer Funktionsweise einer Anschlagstruktur des mikromechanischen Sensors in 3.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Sensors 100 gemäß einer Ausführungsform.
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In der Ausführungsform in 1 umfasst der mikromechanische Sensor 100 ein Substrat 101 und eine relativ zum Substrat auslenkbare seismische Masse 103, die über ein Federelement 121 federnd gelagert ist. Darüber hinaus weist der mikromechanische Sensor 100 eine Anschlagstruktur 105 auf, die der Seismischen Masse 103 gegenüberliegend am Substrat 101 angeordnet ist und einen Primäranschlag 109 und einen Sekundäranschlag 111 aufweist. Der Primäranschlag 109 ist in einem Mittelabschnitt M des Biegebalkens 115 angeordnet während der Sekundäranschlag 111 in eine Endabschnitt E des Biegebalkens 115 angeordnet ist. In 1 ist die seismische Masse 103 in einer Ruhelage dargestellt. In der Ruhelage der seismischen Masse 103 weist der Primäranschlag 109 einen Ruheabstand D1 zur seismischen Masse 103 auf, während der Sekundäranschlag 111 einen zweiten Ruheabstand D2 zur seismischen Masse 103 aufweist. Der erste Ruheabstand D1 des Primäranschlags 109 zur seismischen Masse 103 ist kleiner als der zweite Ruheabstand D2 des Sekundäranschlags 111 zur seismischen Masse 103. Der Primäranschlag 109 und der Sekundäranschlag 111 sind an einem Wirkelement 107 der Anschlagstruktur 105 ausgebildet, wobei das Wirkelement 107 eingerichtet ist, eine Rückstellkraft zu entwickeln.
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In der Ausführungsform in 1 ist die Anschlagstruktur 105, insbesondere das Wirkelement 107, als eine elastisch federnde Balkenstruktur mit einem Biegebalken 115 ausgebildet. Der Biegebalken 115 ist parallel bzw. nahezu parallel zum Substrat 101 ausgerichtet und über zwei Stützelemente 117, die zueinander beabstandet sind, am Substrat 101 ausgebildet.
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In der Ausführungsform in 1 weist die Anschlagstruktur 105 einen ersten Sekundäranschlag 111 und einen zweiten Sekundäranschlag 113 auf. Der Primäranschlag 109 ist am Biegebalken 115 mittig und zwischen den beiden Stützelementen 117 angeordnet. Der erste Sekundäranschlag 111 und der zweite Sekundäranschlag 113 sind jeweils an den beiden gegenüberliegenden Enden des Biegebalkens 115 angeordnet.
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Darüber hinaus weist die Anschlagstruktur 105 einen Festanschlag 119 auf, der am Substrat 101 ausgebildet und zwischen den beiden Stützelementen 117 angeordnet ist.
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In der Ausführungsform in 1 sind der Primäranschlag 109 und die beiden Sekundäranschläge 111, 113 als Anschlagstifte ausgebildet, die sich mit unterschiedlicher Länge in Richtung der seismischen Masse 103 vom Biegebalken 115 erstrecken. In der Ausführungsform in 1 sind die Anschlagstifte des Primäranschlags 109 und der ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 mit identischer Stärke ausgebildet, sodass eine Anschlagfläche des Primäranschlags 109 bzw. der ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113, die am Ende der Anschlagstifte ausgebildet ist und der seismischen Masse 103 zugewandt ist, eine identische Größe aufweist. Alternativ können die Anschlagflächen der einzelnen Anschläge mit unterschiedlicher Größe ausgestaltet sein.
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In der Ausführungsform in 1 ist der mikromechanische Sensor 100 als ein Inertialsensor ausgebildet.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer Funktionsweise einer Anschlagstruktur 105 des mikromechanischen Sensors 100 in 1.
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In 2 ist ein zeitlicher Verlauf einer Auslenkung der seismischen Masse 103 des in 1 dargestellten mikromechanischen Sensors 100 aus einer Ruhelage in einen ausgelenkten Zustand, der zu einem Anschlag an die Anschlagstruktur 105 führt und aus dem Auslenkzustand zurück in die Ruhelage gelangt, dargestellt. In 2 ist dies durch die Einzeldarstellungen a) bis d) dargestellt, die jeweils einen Zustand der zeitlichen Entwicklung der Auslenkung der seismischen Masse 103 darstellen. Die Einzeldarstellung a) beschreibt hierbei die Ruhelage der seismischen Masse 103, während die Einzeldarstellung d) die maximale Auslenkung der seismischen Masse 103 beschreibt. Ein zeitlicher Ablauf der Auslenkung der seismischen Masse 103 erfolgt somit von Einzeldarstellung a) über die Einzeldarstellungen b), c) zur Einzeldarstellung d) und von dieser über die Einzeldarstellungen c), b) zur Einzeldarstellung a).
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Die Einzeldarstellung a ist identisch zu 1 und beschreibt den mikromechanischen Sensor 100 in einer Ruheposition, in der die seismische Masse 103 in einer Ruhelage angeordnet ist.
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Bei einer Beschleunigung des mikromechanischen Sensors 100 in einer positiven y-Richtung wird die seismische Masse 103 aus ihrer Ruhelage in eine negative y-Richtung beschleunigt und ausgelenkt. Bei einer entsprechenden Auslenkung der seismischen Masse 103 erfolgt ein Anschlag der seismischen Masse 103 an den Primäranschlag 109, wodurch die Anschlagstruktur 105 in einen ersten Auslenkzustand A1 gebracht wird. Dies ist in der Einzeldarstellung b) dargestellt.
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Bei einer weiteren Auslenkung der seismischen Masse 103 aufgrund einer hohen Beschleunigung des mikromechanischen Sensors 100 in positiver y-Richtung erfolgt aufgrund der Druckkraft, die die seismische Masse 103 auf den Primäranschlag 109 ausübt, eine Verbiegung des Biegebalkens 115, bei der der Mittelabschnitt M des Biegebalkens 115, der zwischen den Stützelementen 117 angeordnet ist, in Richtung des Substrats 111 gebogen wird. Gleichzeitig erfolgt eine Verbiegung der Endabschnitte E des Biegebalkens 115 in Richtung der seismischen Masse 103, wodurch ein Anschlag der ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 an die seismische Masse 103 erfolgt. Dies ist in der Einzeldarstellung c) dargestellt.
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Ein weitere Auslenkung der seismischen Masse 103 in negativer y-Richtung führt zu einer weiteren Verbiegung des Biegebalkens 115, bei der der Mittelabschnitt M zwischen den beiden Stützelementen 117 weiter in Richtung des Substrats 101 gebogen wird, bis ein Anschlag des Biegebalkens 115 an dem Festanschlag 119 erfolgt. Darüber hinaus erfolgt ein Verbiegen der beiden Endabschnitte des Biegebalkens 115, an denen die ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 angeordnet sind, ebenfalls in Richtung des Substrats 101. Dies ist in der Einzeldarstellung d) dargestellt.
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Durch die Verbiegung der Endabschnitte E des Biegebalkens 115 in Richtung des Substrats 101, die durch die Druckkraft der seismischen Masse 103 auf die ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 bewirkt wird, und durch die gleichzeitige Verbiegung des Mittelabschnitts M des Biegebalkens 115 zwischen den beiden Stützelementen 117 ebenfalls in Richtung des Substrats 101 wird eine Steifigkeit des Biegebalkens 115 erhöht. Hierdurch wird eine Rückstellkraft, die der Biegebalken 115 bzw. das Wirkelement 107 auf die seismische Masse 103 ausüben kann, erhöht. In der Einzeldarstellung d) befindet sich die Anschlagstruktur 105 bzw. das Wirkelement 107 in einem zweiten Auslenkzustand A2.
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In der Einzeldarstellung d) ist eine maximale Auslenkung des Wirkelements 107 der Anschlagstruktur 105 erreicht, bei der ein Anschlag des Biegebalkens 115 am Festanschlag 119 erreicht ist. Die seismische Masse 103 übt in diesem Zustand eine maximale Druckkraft auf den Primäranschlag 109 und die ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 aus, sodass eine maximale Klebewirkung zwischen dem Primäranschlag 109 und der seismischen Masse 103 bzw. zwischen dem ersten und zweiten Sekundäranschlag 111, 113 und der seismischen Masse 103 erreicht wird.
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Nach maximaler Auslenkung des Wirkelements 107 entwickelt dieses eine entsprechende in positiver y-Richtung weisende Rückstellkraft auf die seismische Masse 103 aus, wodurch die Auslenkung der seismischen Masse 103 in negativer y-Richtung begrenzt wird und die seismische Masse 103 in positiver y-Richtung beschleunigt wird. Die Beschleunigung der seismischen Masse 103 aus der maximalen Auslenkung in Richtung der Ruhelage führt von der Einzeldarstellung d zur Einzeldarstellung c. Die Rückstellkraft des Biegebalkens 115, die bewirkt, dass der Biegebalken 115 aus der maximalen Auslenkung, wie dies in der Einzeldarstellung d gezeigt ist, in eine Ruhestellung des Biegebalkens 115 zurückkehrt, bewirkt, dass eine Lösung der Klebewirkung zwischen dem Festanschlag 119 und dem Biegebalken 115 erreicht wird.
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Darüber hinaus bewegt sich der Mittelabschnitt des Biegebalkens 115 zwischen den beiden Stützelementen 117 in positiver y-Richtung vom Substrat 101 weg. Gleichzeitig bewegen sich die Endabschnitte des Biegebalkens 115, an denen die ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 angeordnet sind, in positiver y-Richtung. Hierdurch bewegt sich die seismische Masse 103 in positiver y-Richtung.
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Wie in der Einzeldarstellung c) gezeigt ist, sind bei weiterer Bewegung der seismischen Masse 103 in positiver y-Richtung die Endabschnitte E des Biegebalkens 115 aus der Ruhelage in eine gespannte Position von dem Substrat 101 wegweisend bewegt. In dieser Lage erzeugt der Biegebalken 115 an den Endabschnitten E, an denen die ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 angeordnet sind, eine Rückstellkraft, die in negativer y-Richtung und somit von der seismischen Masse 103 wegweisend orientiert ist und den Biegebalken 115 in die Ruhelage zurückbewegen möchte. Hierdurch wirkt eine Zugkraft auf die ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113, die der Klebewirkung zwischen der seismischen Masse 103 und den ersten und zweiten Sekundäranschlägen 111, 113 entgegenwirkt. Übersteigt die Rückstellkraft des Biegebalkens 115, die die ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 in negativer y-Richtung und somit von der seismischen Masse 103 wegzieht, die Klebewirkung zwischen der seismischen Masse 103 und den ersten und zweiten Sekundäranschlägen 111, 113, so werden die ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 von der seismischen Masse 103 gelöst.
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Bewegt die seismische Masse 103 sich weiter in Richtung der Ruhelage, so wird der Biegebalken 115 in eine neutrale Position gebracht, in der der Biegebalken 115 keine Auslenkung aufweist. Dieser Zustand ist in der Einzeldarstellung b) dargestellt.
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Bei einer weiteren Bewegung der seismischen Masse 103 in positiver y-Richtung wird eine Klebewirkung zwischen der seismischen Masse 103 und dem Primäranschlag 109 gelöst. Die seismische Masse 103 kehrt darauffolgend in ihre Ruhelage zurück und die Anschlagstruktur 105 ist von der seismischen Masse 103 vollständig gelöst, was in der Einzeldarstellung a dargestellt ist.
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Die Rückstellkraft bzw. das Biegeverhalten des Wirkelements 107 kann durch vorteilhafte Längenverhältnisse des Mittelabschnitts M und der beiden Endabschnitte E des Biegebalkens 115, die über eine entsprechende Platzierung der beiden Stützelemente 117 erreicht werden können, variiert werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Rückstellkraft des Wirkelements 107 für die beiden Auslenkzustände A1, A2 in vorteilhafter Weise variiert werden kann, sodass eine verbesserte Ablösung der Anschläge von der seismischen Masse 103 erreicht werden kann. Darüber hinaus kann eine Platzierung des Primäranschlags 109 bzw. der ersten und zweiten Sekundäranschläge 111, 113 auf dem Biegebalken 115 derart variiert werden, dass eine verbesserte Ablösung der Anschläge von der seismischen Masse 103 erreicht wird. Darüber hinaus kann eine Anschlagsfläche der Primär- bzw. Sekundäranschläge 109, 111, 113 derart variiert werden, dass ein Ablösen der Anschläge von der seismischen Masse 103 verbessert ist.
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3 zeigt eine schematische Seitenansicht des mikromechanischen Sensors 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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In der Ausführungsform in 3 ist das Wirkelement 107 als eine Wippenstruktur 123 mit einem Schwenkbalken 125, der über ein Stützelement 127 um einen Schwenkpunkt 129 schwenkbar am Substrat 101 angeordnet ist. In der Ausführungsform in 3 umfasst die Anschlagstruktur 105 zwei identisch ausgebildete Wippenstrukturen 123, die einander gegenüberliegend angeordnet sind.
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Aufgrund der identischen Ausbildung der beiden Wippenstrukturen wird im Folgenden lediglich eine Wippenstruktur 123 beschrieben.
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Über den Schwenkpunkt 129 ist der Schwenkbalken 125 in einen ersten Schenkel 131 und einen zweiten Schenkel 133 aufgeteilt. Am ersten Schenkel 131 ist ein Primäranschlag 109 ausgebildet, während am zweiten Schenkel 133 ein Sekundäranschlag 111 ausgebildet ist. Die Primär- und Sekundäranschläge 109, 111 sind als Anschlagstifte ausgebildet, wobei der Primäranschlag 109 eine größere Länge aufweist als der Sekundäranschlag 111 und somit einen kürzeren ersten Ruheabstand D1 (in 3 nicht dargestellt) aufweist. In der Ausführungsform in 3 ist der erste Schenkel 131 kürzer ausgebildet als der zweite Schenkel 133. Ferner ist am Ende des zweiten Schenkels 133 eine Schwungmasse 135 ausgebildet.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs einer Funktionsweise der Anschlagstruktur 105 des mikromechanischen Sensors 100 in 3.
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4 ist der Darstellung in 2 folgend ein zeitlicher Ablauf einer Auslenkung der seismischen Masse 103 und eines Anschlags an die Anschlagstruktur 105 in Einzeldarstellungen a) bis c) dargestellt. Die Einzeldarstellung a) beschreibt hierbei analog zu 2 den mikromechanischen Sensor 100 in Ruhelage, während die Einzeldarstellung c) eine maximale Auslenkung der seismischen Masse 103 darstellt. 2 folgend erfolgt eine Auslenkung der seismischen Masse 103 aus der Ruhelage in die maximale Auslenkung ausgehend von der Einzeldarstellung a) über die Einzeldarstellung b) zur Einzeldarstellung c) und eine Rückkehr aus der maximalen Auslenkung in die Ruhelage von der Einzeldarstellung c) über die Einzeldarstellung b) zur Einzeldarstellung a).
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Die Einzeldarstellung a) entspricht der 3, wobei in den Einzeldarstellungen a) bis c) aufgrund der Übersichtlichkeit lediglich eine Wippenstruktur 123 dargestellt ist. In der Ruhelage weist der Primäranschlag 109 einen ersten Ruheabstand D1 zur seismischen Masse 103 auf, während der Sekundäranschlag 111 einen zweiten Ruheabstand D2 zur seismischen Masse 103 aufweist, der größer als der erste Ruheabstand D1 ist. Die Schwungmasse 135 der Wippenstruktur 123 ist ebenfalls in einer Ruhelage und zum Substrat 101 benachbart angeordnet.
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Bei Beschleunigung des mikromechanischen Sensors 100 in positiver y-Richtung und gleichzeitiger Auslenkung der seismischen Masse 103 aus der Ruhelage in negativer y-Richtung erfolgt ein Anschlag der seismischen Masse 103 an den Primäranschlag 109 der Anschlagstruktur 105. Durch den Anschlag der seismischen Masse 103 am Primäranschlag 109 wird eine Auslenkung der Wippenstruktur 123 in einen ersten Auslenkzustand A1 bewirkt. Hierzu wird der erste Schenkel 131 durch die Druckkraft der seismischen Masse 103 auf den Primäranschlag 109 in Richtung des Substrats 101 bewegt, wodurch der zweite Schenkel 133 inklusive der Schwungmasse 135 in positiver y-Richtung und somit in Richtung zur seismischen Masse 103 beschleunigt wird. Hierdurch erfährt der Sekundäranschlag 113 einen in Richtung der seismischen Masse 103 gerichteten Impuls. Dieser Impuls wird durch die Schwungmasse 135 weiter erhöht. Ferner trägt die Länge des zweiten Schenkels 133 weiter zur Erhöhung des Impulses des Sekundäranschlags 113 bei, indem über die größere Länge des zweiten Schenkels 133 im Vergleich zur Länge des ersten Schenkels 131 der Sekundäranschlag 111 mit einer höheren Geschwindigkeit in Richtung der seismischen Masse 103 bewegt wird, als der Primäranschlag 109 durch Auslenkung der seismischen Masse 103 in Richtung des Substrats 101 bewegt wird.
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Bei weiterer Auslenkung der seismischen Masse 103 in Richtung des Substrats 101 wird die Anschlagstruktur 105 in einen zweiten Auslenkzustand A2 gebracht, der in der Einzeldarstellung c) dargestellt ist. Hierbei schlägt der Sekundäranschlag 111 an die seismische Masse 103 an. Durch den Impuls des Sekundäranschlags 111, der durch die Aufwärtsbewegung des zweiten Schenkels 133 des Schwenkbalkens 125 in Richtung der seismischen Masse 103, sprich: in positiver y-Richtung, generiert wird, erfolgt bei Anschlag der seismischen Masse 103 an den Sekundäranschlag 111 ein Impulsübertrag von dem Sekundäranschlag 111 bzw. der Schwungmasse 135 an die seismische Masse 103.
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In Abhängigkeit der Klebewirkungen zwischen dem Primäranschlag 109 und der seismischen Masse 103 bzw. dem Sekundäranschlag 111 und der seismischen Masse 103 kann der Impulsübertrag von dem Sekundäranschlag 111 an die seismische Masse 103 bewirken, dass über den Impulsübertrag die seismische Masse 103 in positiver y-Richtung und somit in Richtung der Ruhelage beschleunigt wird. Dies ist in der Einzeldarstellung c) dargestellt. Hierdurch wird ferner bewirkt, dass aufgrund der Beschleunigung der seismischen Masse 103 in positiver y-Richtung eine Ablösung des Primäranschlags 109 von der seismischen Masse 103 erreicht wird. Der Sekundäranschlag 111 wird in diesem Fall ferner weiter in positiver y-Richtung bewegt, sodass eine simultane Bewegung der seismischen Masse 103 und des Sekundäranschlags 111 des zweiten Schenkels 133 erreicht wird. Ein solches Ablösen des Primäranschlags 109 von der seismischen Masse 103 und ein Mitbewegen des Sekundäranschlags 111 mit der seismischen Masse 103 in y-Richtung setzt voraus, dass eine Klebewirkung zwischen dem Primäranschlag 109 und der seismischen Masse 103 geringer ist als eine Klebewirkung zwischen dem Sekundäranschlag 111 und der seismischen Masse 103. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Anschlagfläche des Primäranschlags 109 kleiner ausgebildet ist als die Anschlagfläche des Sekundäranschlags 111. Dies kann insbesondere über eine Variation der Dicken der einzelnen als Anschlagstifte ausgebildeten Primär- bzw. Sekundäranschläge 109, 111 erreicht werden.
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Für den Fall, dass eine Klebewirkung zwischen dem Primäranschlag 109 und der seismischen Masse 103 größer ist als eine Klebewirkung zwischen dem Sekundäranschlag 111 und der seismischen Masse 103, so wird bei Anschlag des Sekundäranschlags 111 an die seismische Masse 103 der Sekundäranschlag 111 samt der Schwungmasse 135 in negativer y-Richtung beschleunigt, sodass der Sekundäranschlag 111 von der seismischen Masse 103 abprallt und somit von dieser gelöst wird. In diesem Fall kehrt die Wippenstruktur 123 in den in der Einzeldarstellung b) dargestellten ersten Auslenkzustand A1 zurück, in dem durch das Abprallen des Sekundäranschlags 111 von der seismischen Masse 103 der zweite Schenkel 133 der Wippenstruktur 123 in negativer y-Richtung und somit in Richtung des Substrats 101 bewegt wird, während der erste Schenkel 131 und der Primäranschlag 109 der Bewegung der seismischen Masse 103 in positiver y-Richtung folgt.
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Bei weiterer Bewegung der seismischen Masse 103 in positiver y-Richtung und bei Erreichen einer maximalen Auslenkung der Wippenstruktur 123, die beispielsweise durch ein Anschlagen der Schwungmasse 135 am Substrat 101 erreicht ist, wird der Primäranschlag 109 von der seismischen Masse 103 gelöst und die seismische Masse 103 kehrt in die in der Einzeldarstellung a gezeigte Ruhelage zurück.
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Ausgehend von der in der Einzeldarstellung c) gezeigten Situation, in der aufgrund der erhöhten Klebewirkung zwischen dem Sekundäranschlag 111 und der seismischen Masse 103 der Sekundäranschlag 111 und damit verbunden der zweite Schenkel 133 der Wippenstruktur 123 mit der seismischen Masse 103 mitbewegt wird, wird bei einer weiteren Bewegung der seismischen Masse 103 in positiver y-Richtung und bei Erreichen einer Maximalauslenkung der Wippenstruktur 123, bei der eine weitere Auslenkung des zweiten Schenkels 133 in positiver y-Richtung verhindert ist, wird der Sekundäranschlag 111 von der seismischen Masse 103 gelöst. Dies wird weiterhin über die Masse der Schwungmasse 135 begünstigt, die eine zusätzliche der Klebewirkung zwischen dem Sekundäranschlag 111 und der seismischen Masse 103 entgegenwirkende Zugkraft bereitstellt, die auf den Sekundäranschlag 111 in negativer y-Richtung wirkt und somit dazu beiträgt, die Klebewirkung zwischen dem Sekundäranschlag 111 und der seismischen Masse 103, die in positiver y-Richtung gerichtet ist, zu überwinden und den Sekundäranschlag 111 von der seismischen Masse 103 zu lösen. Durch die Lösung des Sekundäranschlags 111 von der seismischen Masse 103 ist die Anschlagstruktur 105 von der seismischen Masse 103 gelöst und diese kehrt in die Ruhelage 103, die in der Einzeldarstellung a) gezeigt ist, zurück.
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Die Bewegung der seismischen Masse 103 aus der maximalen Auslenkung zurück in die Ruhelage wird aus einer Kombination der Rückstellkraft des Federelements 121 und des von der Schwungmasse 135 bzw. dem Sekundäranschlag 111 auf die seismischen Masse 103 übertragenen Impulses bewirkt.
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Über eine vorteilhafte Ausgestaltung der Längen- und Gewichtsverhältnisse der Wippenstruktur 123, insbesondere der Längenverhältnisse der ersten und zweiten Schenkel 131, 133 bzw. des Gewichtsverhältnisses der Schwungmasse 135 kann eine verbesserte Ablösung der an die seismische Masse 103 angeschlagenen Primär- bzw. Sekundäranschläge 109, 111 erreicht werden, indem durch den Impulsübertrag des Sekundäranschlags 111 an die seismische Masse 103, der durch die Auslenkung der Wippenstruktur 123 bewirkt ist, eine Ablösung des Primäranschlags 109 oder des Sekundäranschlags 111 von der seismischen Masse 103 erleichtert wird. Hierdurch wird eine verbesserte Ablösung der Anschlagstruktur 105 von der seismischen Masse 103 und eine damit verbundene verbesserte Anti-Klebeeigenschaft der Anschlagstruktur 105 erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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