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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement
für Beschleunigungs- oder Drehratensensoren,
sowie einen Sensor zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten.
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Sensoren zur Messung von Beschleunigungen
oder Drehraten werden z.B. in Luft- oder Landfahrzeugen eingesetzt, um
Inertialbewegungen und wirkende Inertialkräfte zu messen. Beispielsweise werden
zur Fahrdynamik-Regelung von Kraftfahrzeugen Sensoren mit hoher
Empfindlichkeit benötigt, die
geringe Beschleunigungen messen, wie sie z.B. bei der Änderung
des Fahrzustandes oder der Bewegung des Fahrzeugs im normalen Fahrbetrieb
auftreten. In der Luft- und Raumfahrt werden mikromechanische Beschleunigungssensoren
mit hoher Genauigkeit zur Unterstützung der Positionsbestimmung und
Navigation eingesetzt. Darüberhinaus
gibt es vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten,
beispielsweise in der Medizintechnik, bei Gravitationsmessungen oder
in der Robotik.
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Die Druckschrift
DE 43 40 664 C2 zeigt beispielsweise
einen piezoresistiven Beschleunigungsaufnehmer, bei dem eine Schweremasse
durch zwei Biegebalken mit einem Rahmen verbunden ist, wobei die
Auslenkung der Schweremasse bei einer auf dem Beschleunigungsaufnehmer
wirkenden Beschleunigung durch piezoresistive Widerstände gemessen wird.
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Die Druckschrift
DE 41 26 100 A1 zeigt einen mikromechanischen
Drehbeschleunigungssensor, bei dem eine Drehplatte zwischen zwei
Torsionsfederbändern
in einem Rahmen befestigt ist.
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Bei den bekannten Sensoren und mikromechanischen
Bauelementen besteht das Problem, dass die im Grundmaterial des
mikromechanischen Bauelements vorhandenen Verspannungen sich negativ
auf das Sensorverhalten auswirken können. Diese Verspannungen,
die z.B. auch bei Temperaturänderungen eintreten
können,
verursachen in vielen Fällen
eine Offset-Drift, Änderungen
von Federkonstanten oder sogar einen Bruch des Sensorelements. Auch
während
der Herstellung von Mikrostrukturen kann bereits ein mechanischer
Stress eingefroren werden.
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Um das Problem mechanischer Spannungen in
Oberflächenstrukturen
mikromechanischer Bauelemente zu lösen, wird in der
DE 196 39 946 A1 ein mikromechanisches
Bauelement vorgeschlagen, bei dem eine Oberflächenstruktur durch mindestens zwei
Verankerungsbereiche auf einem Substrat befestigt ist, wobei die
mindestens zwei Verankerungsbereiche einen Abstand zueinander aufweisen,
der gering ist im Vergleich zur lateralen Ausdehnung der Oberflächenstruktur.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein mikromechanisches Bauelement für Beschleunigungs- oder Drehratensensoren
zu schaffen, bei dem Störungen
des Sensorverhaltens, die durch Verspannungen bzw. Stress innerhalb
des Bauelements verursacht werden, reduziert oder vermieden werden können. Weiterhin
soll ein Sensor zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten
angegeben werden, mit dem die o.g. Probleme vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
das mikromechanische Bauelement gemäß Patentanspruch 1 und durch
den Sensor gemäß Patentanspruch
16. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
ist insbesondere für
Beschleunigungs- oder Drehratensensoren geeignet und umfasst eine Mikrostruktur,
die an einer Halterung auslenkbar gelagert ist, sowie ein elastisches
Aufhängeelement
zur Lagerung der Mikrostruktur an der Halterung, wobei das Aufhängeelement über ein
Federelement mit der Halterung verbunden ist, das mechanische Stresseinwirkungen
auf die Halterung kompensiert.
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Durch das zusätzlich zum Aufhängeelement vorgesehene
Federelement wird eine Übertragung von
Spannungskräften
auf das oder die Aufhängeelemente
vermieden. Dadurch bleiben die technischen Spezifikationen des mikromechanischen Bauelements
bzw. Sensors, wie beispielsweise die Federsteifigkeit und die damit
verknüpfte
Empfindlichkeit, vom einwirkenden Stress unbeeinflusst. Somit sind die
zur Beschleunigungsmessung benötigten
bewegbaren Elemente, d.h. die Mikrostrukturen mit den Aufhängeelementen,
vom umgebenden bzw. äußeren mechanischen
Stress entkoppelt.
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Durch die Erfindung werden insbesondere die
veränderbaren
Stressgrößen nicht
direkt auf das Sensorelement bzw. die auslenkbare Mikrostruktur weitergeleitet,
sondern durch das oder die Federelemente, die zusätzlich zu
den Aufhängeelementen vorgesehen
sind und als Relaxierungsfedern wirken, abgefangen. Insgesamt kann
durch die erfindungsgemäße Lösung die
Temperaturabhängigkeit
der Empfindlichkeit und das Offset-Verhalten deutlich verbessert
werden. Die Strukturen gemäß der vorliegenden
Erfindung sind platzsparend implementierbar und benötigen fast
keine zusätzlichen
Fertigungsschritte, so dass die Verbesserung weitgehend kostenneutral
ist.
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Zwischen dem Aufhängeelement und dem Federelement
kann ein Zwischenrahmen vorgesehen sein, der das Aufhängeelement
mit dem Federelement verbindet. Dadurch wird der Zwischenrahmen mit
der darin gehaltenen Mikrostruktur im spannungsfreien Zustand gehalten,
so dass sich eine Verformung der äußeren Halterung nicht auf die
Eigenschaften der Mikrostruktur auswirkt.
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Das Aufhängeelement kann aber auch direkt mit
der Halterung verbunden sein. Dadurch ergibt sich eine besonders
einfache Bauweise, bei der die Mikrostruktur mit dem oder den Aufhängeelementen selbst
bei einer Verformung der umgebenden Halterung im spannungsfreien
Zustand gehalten wird.
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Vorteilhafterweise ist das Federelement senkrecht
zur Auslenkungsrichtung der Mikrostruktur verformbar. Dadurch wird
erreicht, dass senkrecht zur Auslenkungsrichtung vorhandene Spannungen bzw.
Kräfte,
die auf die Halterung einwirken, kompensiert werden.
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Beispielsweise ist das Federelement
in Richtung der Aufhängeachse
der Mikrostruktur verformbar, um Verformungen der Halterung relativ
zur Mikrostruktur und dem Aufhängeelement
auszugleichen.
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Vorteilhafterweise sind das mikromechanische
Bauelement oder Teile davon aus Silizium gefertigt. Die Halterung
kann als Rahmen ausgestaltet sein, in dem die Mikrostruktur gehalten
wird. Bevorzugt sind mehrere Aufhängeelemente und/oder Federelemente
vorgesehen, wodurch eine stabile Lagerung der bewegbaren bzw. auslenkbaren
Mikrostruktur in der Halterung und eine besonders zuverlässige Kompensation
des auf die Halterung einwirkenden Stress erreicht wird.
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Bevorzugt ist das mikromechanische
Bauelement als Siliziummonolith ausgestaltet, was eine einfache
und kostengünstige
Serienfertigung ermöglicht.
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Die Längsachse des Federelements
ist bevorzugt senkrecht oder schräg zur Längsachse des Aufhängeelements
gerichtet. Dadurch kann insbesondere eine äußere, entlang der Aufhängeachse wirkende
Stresskraft, die auf die Halterung wirkt, kompensiert werden, d.h.,
das eigentliche Messelement bleibt von dieser Stresskraft unbeeinflusst.
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Vorteilhafterweise ist die Mikrostruktur
plattenartig ausgebildet. Dabei liegen die Längsachsen des Federelements
und des Aufhängeelements
beispielsweise in der Ebene der bevorzugt plattenartigen Mikrostruktur.
Auch dadurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellung,
die z.B. monolithisch erfolgen kann und Sensoren mit hoher Genauigkeit
bei geringer Baugröße ermöglicht.
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Bevorzugt liegen das mindestens eine
Federelement und das mindestens eine Aufhängeelement in einer Ebene.
Insbesondere kann die plattenartige Mikrostruktur, die rahmenartige
Halterung und/oder der Zwischenrahmen in einer Ebene liegen, wobei
beispielsweise die Auslenkungsrichtung der Mikrostruktur senkrecht
zu dieser Ebene gerichtet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird ein Sensor zur Messung von Beschleunigungen oder
Drehraten bereitgestellt, der einen Messaufnehmer zur Messung der
Auslenkung einer auslenkbaren Mikrostruktur bei einer auf den Sensor
wirkenden Beschleunigung aufweist und ein mikromechanisches Bauelement,
wie es oben beschrieben ist und nachfolgend detailliert erläutert wird,
umfasst.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
bevorzugter Ausführungsformen
im Detail beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch
eine Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelement gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, bei der eine Mikrostruktur mit zwei Aufhängeelementen über Federelemente
im spannungsfreien Zustand gehalten wird;
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2 eine
Draufsicht auf das in 1 gezeigte
Bauelement in einem Zustand, in dem eine Kraft entlang der Aufhängeachse
auf das Bauelement einwirkt;
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3 eine
schematische Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelement gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, bei der eine Mikrostruktur mit zwei Aufhängeelementen und
einem Zwischenrahmen im spannungsfreien Zustand gehalten wird; und
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4 eine
schematische Draufsicht auf das in 3 gezeigte
Bauelement, jedoch im Zustand einer äußeren Krafteinwirkung entlang
der Aufhängeachse
der Mikrostruktur.
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Das in 1 gezeigte
Bauelement 10 gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine plattenförmig ausgestaltete Mikrostruktur 11,
die in einer rahmenartigen Halterung 12 gehalten wird.
Die Mikrostruktur 11 ist zwischen zwei gegenüberliegenden
Aufhängeelementen 13a, 13b angeordnet,
die an zwei gegenüberliegenden
Seiten der Mikrostruktur 11 befestigt sind. Die Aufhängeelemente 13a, 13b sind
verbiegbar oder tordierbar, und elastisch, um eine Auslenkung der
Mikrostruktur 11 senkrecht zur Bauelement- bzw. Plattenebene,
d.h. in z-Richtung, zu ermöglichen.
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Zwischen den Aufhängeelementen 13a, 13b und
der Halterung 12 sind Federelemente 14a, 14b vorgesehen,
die die Aufhängeelemente 13a, 13b jeweils
mit der Halterung 12 verbinden. D.h., die Aufhängeelemente 13a, 13b mit
der daran befestigten Mikrostruktur 11 sind über die
Federelemente 14a, 14b mit der Halterung 12 mechanisch
gekoppelt. Die Federelemente 14a, 14b sind beispielsweise
Torsionsfedern oder tordierbare bzw. biegbare Balken und ermöglichen
eine Verschiebung der jeweiligen Aufhängeelemente 13a bzw. 13b relativ
zur Halterung 12 in Richtung der Bauelementebene bzw. Plattenebene der
Mikrostruktur 11, d.h. in x-Richtung und/oder y-Richtung
und somit senkrecht zur Auslenkungsrichtung der Mikrostruktur 11.
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In dem in 1 gezeigten spannungsfreien Zustand hat
die Halterung 12, die als Rahmen ausgebildet ist, zwischen
zwei gegenüberliegenden
Rahmenteilen 12a, 12b einen Abstand a im Inneren
des Rahmens, in dem die Mikrostruktur 11 mittels der Aufhängeelemente 13a, 13b und
der Federelemente 14a, 14b befestigt ist. Im Falle
einer Stauchung oder Zerrung des Rahmens bzw. der Halterung 12 in
x- oder y-Richtung
werden die Federelemente 14a, 14b entgegengesetzt
zur Stauchungsrichtung ausgelenkt, so dass die Geometrie der Anordnung
aus den Aufhängeelementen 13a, 13b und
der Mikrostruktur 11 unverändert bleibt bzw. diese Elemente
in ihrer Form erhalten bleiben und keinen Verspannungen auf Grund
der Änderung
der Geometrie der Halterung 12 ausgesetzt werden.
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2 zeigt
das mikromechanische Bauelement 10 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform
in einem Zustand, in dem eine Kraft F auf das Bauelement 10 entlang
der Aufhängeachse
der Mikrostruktur 11 einwirkt. Die Krafteinwirkung ist
hier exemplarisch in y-Richtung dargestellt. Im vorliegenden Beispiel
bewirkt die Krafteinwirkung entlang der Aufhängeachse, die durch die Verbindungslinie
zwischen den beiden gegenüberliegenden
Aufhängeelemente 13a, 13b definiert
ist, eine Stauchung der rahmenförmigen
Halterung 12 in Richtung der Aufhängeachse, so dass die Innenseite
des Rahmens bzw. der Abstand a zwischen den gegenüberliegenden Rahmenteilen 12a, 12b dadurch
verringert ist.
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Die im spannungsfreien Zustand senkrecht zu
den balkenförmigen
Aufhängeelementen 13a, 13b gerichteten
balkenförmigen
Federelemente 14a, 14b erfahren im spannungsbelasteten
Zustand eine Auslenkung in Richtung der erfolgten Stauchung oder Zerrung
der rahmenartigen Halterung 12, die dem Betrag der geometrischen
Veränderung
der Halterung 12 entspricht, und kompensieren damit die
einwirkende Spannung, so dass das eigentliche Messelement, das aus
der Mikrostruktur 11 und den Aufhängeelementen 13a, 13b gebildet
wird, durch die Krafteinwirkung nicht beeinflusst wird.
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In den gegenüberliegenden Rahmenteilen 12a, 12b der
Halterung 12 ist innenseitig jeweils eine Aussparung 16a, 16b ausgebildet,
in der die Federelemente 14a, 14b an gegenüberliegenden
Seiten befestigt sind. Jedes Aufhängeelement 13a, 13b ist
mit einem Federelement 14a, 14b in dessen Zentrum verbunden,
wobei in diesem Beispiel jedes Federelement 14a, 14b aus
zwei elastischen Elementen besteht, die über ein Verbindungsstück 15 miteinander verbunden
sind, das jeweils im Zentrum eines Federelements 14a, 14b ausgebildet
ist. Die Aufhängeelemente 13a, 13b sind
jeweils über
ein Verbindungsstück 15 mit
den Federelementen 14a, 14b verbunden.
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Die 3 und 4 zeigen ein Bauelement 100, das
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung darstellt, in einem spannungsfreien Zustand (3) bzw. in einem Zustand,
in dem eine äußere Kraft
entlang der Aufhängeachse
auf das Bauelement einwirkt (4).
Dabei ist, ähnlich
wie in der oben gezeigten ersten Ausführungsform, eine plattenförmige Mikrostruktur 111 an
zwei gegenüberliegenden
Seiten mit jeweils einem Aufhängeelement 113a, 113b verbunden,
die biegsam bzw. tordierbar sind, um eine Auslenkung der Mikrostruktur 111 in z-Richtung, d.h. senkrecht
zur Ebene x-y des Bauelements 100 zu ermöglichen.
Im Unterschied zum oben beschriebenen Bauelement 10 gemäß 1 und 2 sind die Aufhängeelemente 113a, 113b über einen
Zwischenrahmen 120 mit der rahmenartigen Halterung 112 verbunden,
wobei die Verbindung zwischen dem Zwischenrahmen 120 und
der rahmenartigen Halterung 112 durch eine Anordnung von
Federelementen 114 gebildet wird.
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Dabei umgeben die verschiedenen Federelemente 114 den
Zwischenrahmen 120, so dass sich von jeder Seite des Zwischenrahmens 120 ein
oder mehrere Federelemente 114 zur rahmenartigen Halterung 112 erstrecken,
die den Zwischenrahmen 120 mit der darin angeordneten Mikrostruktur 111 umgibt. Wie
in der ersten gezeigten Ausführungsform
bilden auch hier die Federelemente 114 Kompensationsfedern
zur Kompensation von Geometrieänderungen oder
Verschiebungen der Halterung auf Grund von Kräften bzw. Spannungen, die auf
das Bauelement 100 einwirken.
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Die Federelemente 114 sind
zum Beispiel als elastische oder tordierbare Balken ausgestaltet
und sind in ihrer jeweiligen Längsrichtung
schräg
bzw. in einem Winkel zur Aufhängeachse
ausgerichtet. Die Aufhängeachse
wird durch die beiden gegenüberliegenden
Aufhängeelemente 113a, 113b definiert. Durch
den schrägen
Verlauf der Federelemente 114 bzw. Kompensationsfedern
in Bezug auf die Aufhängeelemente 113a, 113b,
in Bezug auf die Aufhängeachse
und in Bezug auf die Rahmenteile des Zwischenrahmens 120 wird
eine besonders zuverlässige Kompensation
von in x- oder y-Richtung einwirkenden Kräften erreicht. Bei einer Änderung
des Abstands a der Halterung 112 bleibt der Zwischenrahmen 120 in
seiner Form unverändert.
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Bei dem in 4 gezeigten spannungsbelasteten Zustand
des mikromechanischen Bauelements 100 ist der Abstand a
zwischen zwei gegenüberliegenden
Rahmenteilen 112a, 112b bzw. Halteelementen der
Halterung 112 kleiner als im spannungsfreien Zustand. In
dem dargestellten Beispiel wirkt eine Druckspannung F in y-Richtung
entlang der durch die Aufhängeelemente 113a, 113b definierten
Aufhängeachse.
Die daraus resultierende Stauchung der Halterung 112 führt zu einer
Auslenkung bzw. Verbiegung der Federelemente 114, wodurch eine
Kompensation der Stauchung bewirkt wird. Somit bleibt der Zwischenrahmen 120 mit
der darin angeordneten Mikrostruktur 111 und den Aufhängeelementen 113a, 113b von
der erfolgten Stauchung unbeeinflusst.
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Das mikromechanische Bauelement 10, 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist bevorzugt aus Silizium als Grundmaterial gefertigt.
Es ist zum Beispiel flächig
ausgebildet, wobei die einzelnen Elemente aus einem Siliziummonolithen
strukturiert sein können.
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Das mikromechanische Bauelement 10, 100 bildet
zusammen mit geeigneten Messaufnehmern zur Messung der Auslenkung
der Mikrostruktur 11, 111 einen Beschleunigungs-
oder Drehratensensor. Die Messaufnehmer können beispielsweise piezoresistive
Elemente sein, die an den Aufhängeelementen 13a, 13b bzw. 113a, 113b befestigt
sind und eine Torsion oder Verbiegung der Aufhängeelemente bei einer Auslenkung
der Mikrostruktur 11, 111 in z-Richtung erfassen.
Es sind aber auch andere Arten von Messaufnehmern geeignet, beispielsweise
Kapazitäten
zur Messung der Auslenkung.