DE202009007836U1

DE202009007836U1 - MEMS-Sensor

Info

Publication number: DE202009007836U1
Application number: DE202009007836U
Authority: DE
Original assignee: SensorDynamics AG
Current assignee: Hanking Electronics Ltd Solon Us
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2019-06-04
Also published as: US20100307244A1; US8322212B2

Abstract

MEMS-Sensor mit einem Substrat (8) und einem Sensorelement (3), welches eine Bewegung relativ zu dem Substrat (8) als Reaktion auf einen zu erfassenden Einfluss auf den Sensor (1) ausführt, wobei die Bewegung des Sensorelementes (3) im Wesentlichen eine oszillierende Drehung um eine Sensorachse ist, welche im wesentlichen parallel zu dem Substrat (8) verläuft und der Sensor (1) wenigstens einen Anker (2) aufweist, welcher auf dem Substrat (8) angeordnet ist um das Sensorelement (3) auf dem Substrat (8) zu halten und ein Verbindungselement (4) vorgesehen ist um das Sensorelement (3) an dem Anker (2) anzuordnen, wobei das Verbindungselement (4) ein Netzwerk (9) aus Balken (10) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen MEMS-Sensor mit einem Substrat und einem Sensorelement, welches eine Bewegung relativ zum Substrat als Reaktion auf einen Einfluss, welcher ermittelt werden soll, erfasst.
Aus der US 6,573,380 B2 ist ein MEMS-Sensor zur Erfassung einer Drehbewegung des Sensor bekannt. Dabei ist MEMS die Abkürzung für ein Micro-Elektro-Mechanisches-System. Bei einem dementsprechend aufgebauten Sensor werden Bauteile in eine oszillierende Bewegung versetzt. Bei einer Drehbewegung des Sensors um eine vorbestimmte Achse wird aufgrund einer dabei auftretenden Corioliskraft ein dafür vorgesehenes Sensorelement des MEMS-Sensors ausgelenkt. Diese Auslenkung des Sensors wird mittels elektrischer Bauteile, beispielsweise Kondensatorplatten erfasst und ausgewertet. In dem MEMS-Sensor der US 6,513,380 B2 wird ein äußerer Ring mittels Antriebselementen in eine oszillierende Drehbewegung um einen zentralen Ankerpunkt gebracht. Die oszillierende Drehbewegung des Rings erfolgt um eine z-Achse. Bei einer Auslenkung des Sensors um die x-Achse entsteht eine Corioliskraft, welche das in dem Ring angeordnete Sensorelement um die y-Achse oszillierend schwenken lässt. Diese Schwenkbewegung wird durch Federelemente erlaubt, welche das Sensorelement an dem zentralen Anker befestigen. Kondensatorplatten an der Unterseite des Sensorelementes und an der Oberseite des Substrats, auf welchem die Sensorelemente und der Ring angeordnet sind, erfassen den sich ändernden Abstand der Sensorelemente von dem Substrat. Das dadurch erzeugte elektrische Signal kann entsprechend ausgewertet werden. Das Sensorelement ist mit konvergierend auf einander zu laufenden Federelementen an dem zentralen Anker befestigt. Hierdurch soll sichergestellt werden, dass das Sensorelement nicht an der Drehbewegung des äußeren Rings teilnimmt, aber eine Drehbewegung um die y-Achse ermöglicht.
Nachteilig bei dieser Ausführung ist es, dass die Herstellung der Federelemente kritisch ist, da die Federelemente relativ lang ausgebildet sind und dementsprechend eine Fixierung des Sensorelementes gegen eine Drehung um die z-Achse nicht sicher gewährleistet werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen MEMS-Sensor zu schaffen, welcher eine Fixierung des Sensorelementes gegen die Antriebsbewegung des Antriebselementes weitgehend sicherstellt und andererseits aber ein Auslenken des Sensorelementes um die Sensorachse in definierter Weise ermöglicht.
Die vorliegende Aufgabe wird gelöst, mit einem MEMS-Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Erfindungsgemäß sind die Federelemente, mit welchen das Sensorelement an dem Anker auf dem Substrat befestigt ist, derart ausgebildet, dass sie ein Netzwerk aus Balken bilden, welches eine hohe Stabilität des Sensorelements gegen eine Drehbewegung um die Antriebsachse aufweist. Andererseits ist das Netzwerk derart ausgebildet, dass es eine Torsion des Netzwerkes und damit eine Drehbewegung des Sensorelements um die Sensorachse ermöglicht. Dadurch kann das Sensorelement bei Einwirkung einer Corioliskraft um die Sensorachse ausgelenkt werden. Das Netzwerk erstreckt sich dabei in der Ebene des Sensorelementes, das heißt in der x-y-Ebene. Die Torsion des Netzwerkes erfolgt beispielsweise um die y-Achse. Das Netzwerk kann auch als Teil des Sensorelementes betrachtet werden. Dabei hat das Sensorelement im Bereich des Ankers Öffnungen, welche eine Torsion des Sensorelementes an dieser Stelle zulassen. Das Sensorelement ist gemäß dieser Art der Beschreibung der Erfindung teilweise als Federelement ausgebildet. Obwohl anders beschrieben, handelt es sich um dieselbe Erfindung.
Durch die Gestaltung der Balken des Netzwerkes und die entsprechende Anordnung und Gestaltung der Löcher bzw. Abstände zwischen den einzelnen Balken wird die Charakteristik des Verbindungselementes beeinflusst. Je nach Anforderung bei dem entsprechenden Sensor, kann hierdurch eine Torsion des Verbindungselementes bzw. Netzwerkes bereits bei einer geringeren Kraft oder erst bei einer höheren Kraft bewirkt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung können durch Ausgestaltungen gemäß der Merkmale der Unteransprüche erzielt werden. Durch die darin beschriebenen Merkmale der Erfindung ist die Charakteristik des Verbindungselementes jeweils gemäß den Anforderungen des herzustellenden Sensors beeinflussbar. So kann beispielsweise durch die Wahl der Erstreckungsrichtung der einzelnen Balken, z. Bsp. durch die Ausrichtung der Balken parallel, konvergierend oder divergierend zueinander oder durch die Richtung der Balken im Wesentlichen parallel oder senkrecht zu den jeweiligen Achsen, bewirkt werden, dass einerseits die Widerstandskraft des Sensorelementes gegenüber der Antriebsbewegung des Antriebselementes ausreichend groß ist um eine Bewegung des Sensorelementes um die Antriebsachse zu vermeiden. Andererseits können die Balken und damit das Netzwerk so gestaltet werden, dass die Kippbewegung des Sensorelementes um die Sensorachse besonders einfach und leicht erfolgt. Gleichzeitig kann aber darauf geachtet werden, dass die Festigkeit des Verbindungselementes um die Sensorachse so groß ist, dass durch Schockbewegungen des Sensors keine Auslenkung des Sensorelementes erfolgt und somit keine Signale erzeugt werden, welche fälschlicherweise auf eine Drehbewegung des Sensors hindeuten würden.
Je nach Ausführung des Sensors ist es möglich, dass nur ein einziger Anker vorgesehen ist um das Sensorelement zu halten. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn zwei Verbindungselemente von gegenüberliegenden Seiten des Ankers aus das Sensorelement halten.
Bei einer anderen Ausführung eines MEMS-Sensors ist es möglich, dass beispielsweise zwei Anker vorgesehen sind, an welchen das Sensorelement gehalten ist. Hierbei ist es meist aufreichend, wenn insgesamt zwei Verbindungselemente vorgesehen sind, wobei jeweils ein Verbindungselement einem Anker zugeordnet ist.
Weitere Vorteile der Erfindung zu nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
1 einen MEMS-Sensor mit einem Anker,
2 ein Detail eines erfindungsgemäßen Netzwerkes mit Befestigung an einem Anker und
3 ein Detail einer Befestigung eines Sensorelementes an zwei Ankern.
In 1 ist eine Draufsicht auf einen MEMS-Sensor 1 dargestellt. An einen zentralen Anker 2 ist ein Sensorelement 3 über Verbindungselemente 4 angeordnet. Die Verbindungselemente 4 sind an gegenüberliegenden Seiten des Ankers 2 angeordnet. Mit vier Federelementen 5 ist ein das Sensorelement 3 umgebender Ring 6 vorgesehen. Der Ring 6 stellt das Antriebselement dar und wird durch Antriebselektroden 7, welche am äußeren Umfang des Ringes 6 angeordnet sind in eine oszillierende Antriebsbewegung um eine aus der Zeichenebene herausragende z-Achse gebracht. Der Anker 2 verbindet das Sensorelement 3 und den Antriebsring 6 mit einem darunter liegendem Substrat 8 des Sensors 1. Bei einer Drehbewegung des Substrats 8 um die x-Achse wird eine Corioliskraft erzeugt, welche senkrecht auf die Antriebsachse z und die Drehachse x steht. Hierdurch wird das Sensorelement 3, welches bislang unabhängig von der Antriebsbewegung des Rings 6 unbewegt an dem Anker 2 angeordnet war, um die y-Achse oszillierend gekippt.
Durch die Kippbewegung des Sensorelementes 3 entstehen Abstandsänderungen zwischen dem Sensorelement 3 und dem darunter liegenden Substrat 8, welche mittels dazwischen angeordneter Kondensatorplatten durch ein dadurch erzeugtes veränderliches elektrisches Signal erfasst werden können. Das Verbindungselement 4, welches das Sensorelement 3 mit dem Anker 2 verbindet, ist derart ausgebildet, dass es relativ starr gegen eine Bewegung um die z-Achse ist. Gleiches gilt für eine Kippbewegung um die x-Achse. Lediglich um die y-Achse ist das Verbindungselement 4 derart ausgebildet, dass es eine Drehbewegung des Sensorelementes 3 um die y-Achse erlaubt. Hierdurch erfährt das Verbindungselement 4 eine Torsion, welche das Sensorelement 3 aus der x-y-Ebene auslenken lässt.
In 2 ist eine Detailansicht des Verbindungselementes 4 gezeigt. Das Verbindungselement 4 verbindet den Anker 2 mit dem Sensorelement 3. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt einen einzelnen Anker 2, welcher an gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Verbindungselement 4 aufweist, welches das Sensorselement 3 mit dem Anker 2 verbindet. Das Verbindungselement 4 ist ein Netzwerk 9 aus einzelnen Balken 10, welche bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen im wesentlichen parallel bzw. rechtwinklig zu einander verlaufen. Das Netzwerk 9 der Balken 10 erstreckt sich im Wesentlichen über die komplette Breite des Ankers 2. Hierdurch schafft es eine sehr stabile Verbindung des Sensorelements 3 mit dem Anker 2 bzgl. Kräften um die x-Achse und die z-Achse. Bezüglich Kräften um die y-Achse hingegen ist das Netzwerk 9 so ausgeführt, dass es eine Torsion und damit eine Drehung des Sensorelementes 3 um die y-Achse aufgrund der auftretenden Corioliskraft erlaubt. Durch die Gestaltung der einzelnen Balken 10 mit deren Abstand zueinander, deren Ausrichtung, welche parallel, konvergierend und/oder divergierend zueinander sein kann und durch die Größe des Querschnittes des einzelnen Balkens 10 kann die Charakteristik des Verbindungselementes 4 stark beeinflusst werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind dementsprechend die Öffnungen zwischen den einzel nen Balken 10 in der Nähe des Ankers 2 kleiner als in der Nähe des Sensorelementes 3. Hierdurch wird eine feste Verbindung des Sensorelementes 3 mit dem Anker 2 gewährleistet, wobei eine Kippbewegung um die y-Achse aber dennoch ermöglicht wird.
In 3 ist ein Ausschnitt aus einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Hierbei ist das Sensorelement 3 mittels zwei Anker 2 an dem Substrat 8 befestigt. An jedem Anker 2 ist ein Verbindungselement 4 angeordnet, welches das Sensorelement 3 mit dem Anker 2 verbindet. Die beiden Verbindungselemente 4 der beiden Anker 2 sind im wesentlichen in einer Flucht angeordnet, so dass der eine Freiheitsgrad des Sensorelementes 3, beispielsweise um die y-Achse, erhalten bleibt. Im Übrigen gilt auch hier, dass durch die Gestaltung der einzelnen Balken 10 zueinander und des Querschnittes des einzelnen Balkens 10 die Federcharakteristik veränderbar ist, wodurch die Widerstandskraft des Sensorelementes 3 gegen Auslenkungen um bestimmte Drehachsen gut beeinflusst werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Ausführungen der Erfindungen im Rahmen der Patenansprüche fallen ebenfalls in den Schutzumfang des vorliegenden Schutzrechtes.

1: MEMS-Sensor
2: Anker
3: Sensorelement
4: Verbindungselemente
5: Federelemente
6: Ring
7: Antriebselektrode
8: Substrat
9: Netzwerk
10: Balken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6573380 B2 [0002]
- US 6513380 B2 [0002]

Claims

MEMS-Sensor mit einem Substrat (8) und einem Sensorelement (3), welches eine Bewegung relativ zu dem Substrat (8) als Reaktion auf einen zu erfassenden Einfluss auf den Sensor (1) ausführt, wobei die Bewegung des Sensorelementes (3) im Wesentlichen eine oszillierende Drehung um eine Sensorachse ist, welche im wesentlichen parallel zu dem Substrat (8) verläuft und der Sensor (1) wenigstens einen Anker (2) aufweist, welcher auf dem Substrat (8) angeordnet ist um das Sensorelement (3) auf dem Substrat (8) zu halten und ein Verbindungselement (4) vorgesehen ist um das Sensorelement (3) an dem Anker (2) anzuordnen, wobei das Verbindungselement (4) ein Netzwerk (9) aus Balken (10) aufweist.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzwerk (9) aus Balken (10) in Art eines Gitters ausgebildet ist.
MEMS-Sensor nach einem oder mehreren vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Balken (10) im wesentlichen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
MEMS-Sensor nach einem oder mehreren vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Balken (10) des Netzwerkes (9) entlang zumindest einer der Achsen verlaufen und mit dem Anker (2) und dem Sensorelement (3) verbunden sind.
MEMS-Sensor nach einem oder mehreren vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Balken (10) des Netzwerkes (9) parallel und/oder konvergierend und/oder divergierend zueinander verlaufen.
MEMS-Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Balken (10) des Netzwerkes (9) rechtwinklig zu der Sensorachse verlaufen und sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken.
MEMS-Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen des Netzwerkes (9) in der Nähe des Sensorelementes (3) größer sind als in der Nähe des Ankers (2).
MEMS-Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite des Verbindungselementes (4) rechtwinklig zu der Sensorachse im wesentlichen entlang einer kompletten Seite des Ankers (2) erstreckt.
MEMS-Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Anker (2) das Sensorelement (3) halten und zumindest zwei Verbindungselemente (4) vorgesehen sind, wobei jeweils mindestens eines davon einem der Anker (2) zugeordnet ist und das Sensorelement (3) mit dem Anker (2) verbindet.
MEMS-Sensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anker (2) das Sensorelement (3) hält und sich zwei Verbindungselemente (4) von gegenüberliegenden Seiten des Ankers (2) ausgehend erstrecken um das Sensorelement (3) mit dem Anker (2) zu verbinden.
MEMS-Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (4) die Bewegung des Sensorelementes (3) im Wesentlichen auf einen einzigen Freiheitsgrad beschränkt.