TWI698393B - 用於慣性感測器的微機械彈簧 - Google Patents

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Abstract

用於慣性感測器的微機械彈簧(10)包含：第一及第二彈簧元件(1,2)，其係配置成彼此平行，且係錨定於該慣性感測器的一個錨定元件(20)上；及第三彈簧元件(4)，其係配置於該兩個彈簧元件(1,2)之間，且係錨定在該錨定元件(20)上，且於兩個外側具有一界定數量之節狀元件(5a…5n)，節狀元件(5a…5n)係形成為隨著與該錨定元件(20)的距離的增加而相對於該些彈簧元件(1,2)以一界定方式增加距離。

Description

用於慣性感測器的微機械彈簧
本發明關於用於慣性感測器的微機械彈簧。本發明亦關於用於製造用於慣性感測器的微機械彈簧的方法。本發明亦關於具有至少一個微機械彈簧的慣性感測器。
微機械慣性感測器(加速度及旋轉速率感測器)係藉由止動元件而限制其之移動自由度。止動元件的一個任務係藉由對於該慣性感測器施加形變，而當可移動質量接觸該慣性感測器的固定電極時最小化該可移動質量具有的動能。因此，對於該些電極的損害能夠最小化。
於微機械中，非線性柱結構為已知，舉例而言，由WO 2005/067379而來，用於實施特定測量任務。其所揭示的係一種用於測量在可變形的微機械結構(MEMS結構)上的力的測試裝置及方法。此係牽涉到彎曲具有一自由端及一抵靠一彎曲部分的固定端之MEMS結構的投射柱，直到該投射柱破裂為止。已經導致該柱的破裂之力能夠自該柱的剩餘殘留長度而得出結論。
本發明之一個目的係提供一種改良的用於慣性感測器的微機械彈簧。根據一個第一態樣，該目的係藉由一種用於慣性感測器的微機 械彈簧而達成，該用於慣性感測器的微機械彈簧包含：第一及第二彈簧元件，其係配置成彼此平行，且係錨定於該慣性感測器的一個錨定元件上；及第三彈簧元件，其係配置於該兩個彈簧元件之間，且係錨定在該錨定元件上，且於兩個外側具有一界定數量之節狀元件，節狀元件係形成為隨著與錨定元件的距離的增加而相對於彈簧元件以一界定方式增加距離。
以此方式，根據該些節狀元件分別與該些平行的彈簧元件之一者如何接觸，該彈簧的有效長度被縮短，造成一種用於微機械彈簧的恢復力的控制機制。根據該些節狀元件撞擊抵靠該些平行的彈簧元件之一者之數量，此造成一個恢復力以一個非線性之方式形成。此係有助於提供用於微機械彈簧的大的設計自由度。
根據一個第二態樣，該目的係藉由一種用於製造用於慣性感測器的微機械彈簧的方法而達成，該方法包含下列步驟：提供第一彈簧元件及第二彈簧元件；將第一彈簧元件及第二彈簧元件平行地錨定於該慣性感測器的一個錨定元件上；及提供第三彈簧元件，且錨定第三彈簧元件於該兩個彈簧元件之間，一界定數量之節狀元件係配置於第三彈簧元件之兩個外側上，且節狀元件係形成為隨著與於錨定元件的距離的增加而相對於彈簧元件增加距離。
微機械彈簧的較佳發展係附屬項之主體。
微機械彈簧的一個有利的發展之特徵為：該些彈簧元件藉由一個連接元件而於其末端區域處彼此連接。以此方式，一種U彈簧被產生， 有助於該微機械彈簧的穩定的操作特性。
微機械彈簧的一個進一步有利的發展由至少一個節狀元件係個別配置於該些彈簧元件之外側上之兩側的事實作區別。以此方式，抗震塊的撞擊抵靠微機械彈簧能夠有利地被界定。
1:第一彈簧元件
2:第二彈簧元件
3:連接元件
4:第三彈簧元件
5a…5n:節狀元件
10:微機械彈簧
20:錨定元件
30:抗震塊
本發明具有之進一步的特點及優點，根據許多圖式而詳細敘述於下文。同時，於此所敘述之特點形成本發明之主題，與其係如何呈現於說明中及圖式中無關，且不論其在專利請求項中如何參考回至另一個。該些圖式係特別意欲顯示對於本發明係基本的原理，且係不必然依比例顯示。相同或功能上相同的構件係具有相同的指定符號。
揭示的裝置特點以類推方式跟隨對應的揭示方法，且反之亦然。此意謂：特別是，關於用於製造用於慣性感測器的微機械彈簧的方法之特點、技術優點及實施例以類推方式跟隨關於用於慣性感測器的微機械彈簧之對應的實施例、特點及優點。
於圖式中：圖1顯示一個習知的微機械彈簧；圖2顯示一個提出的微機械彈簧；及圖3顯示一個用於製造用於慣性感測器的微機械彈簧的方法的順序。
用於慣性感測器的止動元件可以形成作為固定或彈性結構。彈性止動元件特別是具有下列兩個功能： 藉由其之變形，其對於消耗基本的能量有貢獻，及藉由其之恢復力，其能夠由一個”卡住(stuck)”或”陷入(caught)”狀態再次釋放該感測器。
彈性止動元件在設計上的一個困難係其之正確的定尺度。一個太軟的止動元件係不能實施其之任務，因為其幾乎不能吸收機械能量且僅具有一個低的恢復力。一個太硬的止動元件實際上作為一個固定止動部，且以此方式亦不能實施其之任務。
圖1顯示一個用於慣性感測器的習知的微機械彈簧(10)的平面圖。能夠看到的是，彈簧10係具有一個實質上細長的形狀，且藉由一個錨定元件(20)而錨定或固定於該慣性感測器上。形成於該彈簧10之尖端處係一個節狀元件5a，其係意欲撞擊抵靠該慣性感測器的抗震塊30。
藉著此習知設計，設計的僅一個小的自由度以及彈簧10必須被精確地尺寸調整以使其正確地作用可以是有問題的。此是如此，因為假如該彈簧10太軟，則機械能量幾乎不能被吸收且僅非常小的恢復力被致動。假如該彈簧10太硬，則其作為一個固定塊，其係不能施加任何恢復力至該抗震塊30。因此，習知的微機械彈簧10必須精確地位於這兩個極端之間，使得一個有效的恢復力能夠被產生。
由圖1之具有比習知彈簧10有大很多的自由度的設計之一個微機械彈簧10係被提出。
圖2顯示一個如此之微機械彈簧10的平面圖。能夠看到的是，該彈簧10具有一個第一彈簧元件1及一個第二彈簧元件2，其係具有直的形式，且配置成彼此平行，且係錨定於該慣性感測器的錨定元件20上。 該兩個彈簧元件1及2係藉由一個連接元件3而在尖端處連接。於一個替代實施例中，亦可想到的是，該連接元件3係省略的(未表示出)。配置於該兩個彈簧元件1及2之間且固定於該錨定元件20上的係一個第三彈簧元件4，其在兩個外側具有節狀元件5a…5h，節狀元件5a…5h隨著與該錨定元件20的距離的增加而相對於該兩個彈簧元件1及2有較大的距離。
以此方式，可達成的是，當該抗震塊30撞擊抵靠該些彈簧元件1及2之一時，起初該節狀元件5a接觸該些彈簧元件1及2之一，藉此該彈簧10的有效長度係被減少。藉由該抗震塊30於該些彈簧元件1及2之一之上增加的力，節狀元件5a…5h的增加的數量被帶來接觸彈簧元件1,2。於第一節狀元件5a及最後一個節狀元件5g接觸之時之間，對於該彈簧10而言，彈簧力的非線性特性係被實現，且該微機械彈簧10係變成越來越硬。
於該微機械彈簧10之一個進一步實施例中，其係被表示於圖式中，其亦可以提供：節狀元件5a…5n的至少一個係配置於彈簧元件1,2之外側上。
以此方式，該抗震塊30抵靠彈簧元件1,2之甚至較好界定的撞擊能夠發生。
該彈簧力的非線性特性應用於接觸的節狀元件5a…5n的下列數量K：1<K<n-1
其中：K為接觸的節狀元件的數量
n為節狀元件的總數量。
該非線性彈簧力係大於線性彈簧力，且使該彈簧10的一個非常有效的恢復力成為可能，其作用於該抗震塊30上。於該最後一個節狀元件5a…5n亦接觸之情形下，亦即所有節狀元件5a…5n接觸彈簧元件1,2之情形下，該微機械彈簧10之整體結構再度以一個線性彈簧特性表現。為了此目的，隨著節狀元件5a…5h彼此之間之距離以及隨著節狀元件5a…5n距離該些彈簧元件1及2之距離，節狀元件5a…5n之數量被適當地調整。
因此，於此方式中，該微機械彈簧10之一個三階段操作特性能夠達到：低負載：於此情況下，僅軟止動被彈簧元件1,2作用。在虎克定律下，機械能量主要消耗於該感測器之該抗震塊30上。
中負載：由該錨定元件20開始，根據該抗震塊30之撞擊發生的方向，節狀元件5a…5n一個接一個與該些彈簧元件1,2之一接觸。因此，外部且接觸到的彈簧元件1,2變成有效的，且恢復力比根據虎克定律所期望的增加更快速。較佳地，該微機械彈簧10之恢復力隨著撞擊節狀元件5a…5n之數量增加，而以2的次方增加。
高負載：所有節狀元件5a…5n接觸彈簧元件1,2。於此情況下，該彈簧元件4及彈簧元件1,2之一的恢復力動作。於(具有該連接元件3之)該微機械彈簧10形成作為一個U彈簧之情況下，所有該三個彈簧元件1,2,3動作。止動對於能量消耗貢獻很大，再次應用虎克定律，然而具有比開始時較大的硬度。
該微機械彈簧10之一個可能的替代實施例(未表示於圖式 中)能夠由彈簧元件1,2,4具有彎曲的形式而實現，具有節狀元件5a…5n的彈簧元件4於此情況下亦配置於彎曲的彈簧元件1,2之間。
因此，本發明提供一個彈簧結構，其實現一個非線性彈性止動，其具有一個附接至一個錨定點的平行彈簧且其內具有串接的固定止動件。因為該些節狀元件，內彈簧元件的硬度係大於外彈簧元件的硬度。因此，止動件的硬度由該內彈簧元件的第一個節狀元件接觸時開始以一個動態的方式變化。
圖3顯示一個用於製造用於慣性感測器的微機械彈簧的實施例的基本順序。
於步驟100中，一個第一彈簧元件1及一個第二彈簧元件2係被設置。
於步驟110中，於該慣性感測器的一個錨定元件20上之第一彈簧元件1及第二彈簧元件2之平行錨定係被實施。
於步驟120中，一個第三彈簧元件4係被設置，且該兩個彈簧元件1,2之間之第三彈簧元件4之錨定係被實施，一界定數量之節狀元件5a…5n係配置於該第三彈簧元件4之兩個外側，且該些節狀元件5a…5n係形成為隨著與該錨定元件20的距離的增加而相對於彈簧元件1、2增加距離。
總結而言，本發明提供一種用於慣性感測器的改良的微機械彈簧。於此情況下，該慣性感測器可以形成作為，舉例而言，一個加速度感測器。藉由所提出之結構，一個於其中微機械彈性作為彈性的結構之較大的動態範圍能夠被實現。
雖然本發明已經根據特定實施例而敘述如上文，但是絕非受限於這些實施例。熟習本項技術者將因而瞭解：在一個對應於所提出之原則之下，該提出之微機械彈簧的許多改變係可能的。
1:第一彈簧元件
2:第二彈簧元件
3:連接元件
4:第三彈簧元件
5a…5n:節狀元件
10:微機械彈簧
20:錨定元件
30:抗震塊

Claims (8)

  1. 一種用於慣性感測器的微機械彈簧(10)，其包含：第一及第二彈簧元件(1,2)，其係配置成彼此平行，且係錨定於該慣性感測器的一個錨定元件(20)上；及第三彈簧元件(4)，其係配置於該兩個彈簧元件(1,2)之間，且係錨定在該錨定元件(20)上，且於兩個外側具有一界定數量之節狀元件(5a…5n)，該些節狀元件(5a…5n)係形成為隨著與該錨定元件(20)的距離的增加而相對於該些彈簧元件(1,2)以一界定方式增加距離，其中該些節狀元件(5a…5n)距離該些彈簧元件(1,2)的距離係以一方式形成，使得當該些節狀元件(5a…5n)之數量1<K<n-1與該些彈簧元件(1,2)之一接觸時，一用於該微機械彈簧(10)之非線性彈簧特性係被產生。
  2. 如請求項1之微機械彈簧(10)，其中，該些彈簧元件(1,2)藉由一個連接元件(3)而於其末端區域處彼此連接。
  3. 如請求項1或2之微機械彈簧(10)，其中，至少一個節狀元件(5a…5n)個別地配置於該些彈簧元件(1,2)之兩個外側上。
  4. 一種慣性感測器，其包含如請求項1至3中任一項之微機械彈簧(10)。
  5. 一種用於製造用於慣性感測器的微機械彈簧(10)的方法，其包含下列步驟：提供第一彈簧元件(1)及第二彈簧元件(2)；將該第一彈簧元件(1)及該第二彈簧元件(2)平行地錨定於該慣性感測器的一個錨定元件(20)上；及提供第三彈簧元件(4)，且錨定該第三彈簧元件(4)於該兩個彈簧元件(1, 2)之間，一界定數量之節狀元件(5a…5n)係配置於該第三彈簧元件(4)之兩個外側上，且該些節狀元件(5a…5n)係形成為隨著與於該錨定元件(20)的距離的增加而相對於該些彈簧元件(1,2)增加距離，其中該些節狀元件(5a…5n)距離該些彈簧元件(1,2)的距離係以一方式形成，使得當該些節狀元件(5a…5n)之數量1<K<n-1與該些彈簧元件(1,2)之一接觸時，一用於該微機械彈簧(10)之非線性彈簧特性係被產生。
  6. 如請求項5之方法，該兩個彈簧元件(1,2)藉由一個連接元件(3)而於其末端區域處連接。
  7. 如請求項5之方法，至少一個節狀元件(5a…5n)個別地形成於該兩個彈簧元件(1,2)之外側上，用於撞擊抵靠一個慣性感測器的抗震塊(30)。
  8. 一種如請求項1至3項中之一項之微機械彈簧(10)之用途，該微機械彈簧(10)係於一慣性感測器內。
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