WO2007017324A1 - Mikromechanisches bauelement mit anschlag - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat (10), einer seismischen Masse (1) und wenigstens einem Federelement (2). Dabei ist die seismische Masse (1) mittels des Federelements (2) mit dem Substrat (10) verbunden. Die seismische Masse ist (1) wenigstens in einer ersten Richtung auslenkbar, vermittels einer transversalen Auslenkung des Federelements (2) in der ersten Richtung. Zur Begrenzung der Auslenkung ist an dem Substrat (10) wenigstens ein erster Anschlag (3) vorgesehen. An der seismischen Masse (1) ist wenigstens ein zweiter Anschlag (5, 6) vorgesehen, welcher derart angeordnet ist, dass die Auslenkbarkeit der seismischen Masse (1) in der ersten Richtung durch das Anschlagen der beiden Anschläge (3; 5, 6) aneinander begrenzt ist.

Description

Mikromechanisches Bauelement mit Anschlag

STAND DER TECHNIK

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem Substrat, einer seismischen Masse und wenigstens einem Federelement. Dabei ist die seismische

Masse mittels des Federelements mit dem Substrat verbunden. Die seismische Masse ist wenigstens in einer ersten Richtung auslenkbar, vermittels einer transversalen Auslenkung des Federelements in der ersten Richtung. Zur Begrenzung der Auslenkung ist an dem Substrat wenigstens ein erster Anschlag vorgesehen.

In der deutschen Patentanmeldung DE 101 16 931 Al ist ein Sensor beschrieben, dessen Sensorstruktur in einem mikromechanischen Bauelement realisiert ist und gegenüber dem feststehenden Substrat des Bauelements bewegliche Teile aufweist. Die Sensorstruktur umfasst mindestens eine freitragende seismische Masse und eine Federanordnung mit mindestens einer Feder, wobei die seismische Masse über die Federanordnung mit dem

Substrat verbunden ist. Die Sensorstruktur umfasst ferner einen Überlastschutz in Form eines Anschlags zum Begrenzen der Auslenkung der Federanordnung beziehungsweise der seismischen Masse in wenigstens einer Richtung. Der Anschlag kann federnd ausgestaltet sein, um die mechanische Belastung der Federanordnung beim Anschlagen zu ver- ringern.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement mit einem Substrat, einer seismischen Masse und wenigstens einem Federelement. Dabei ist die seismische Masse mittels des Federelements mit dem Substrat verbunden. Die seismische Masse ist wenigstens in einer ersten Richtung auslenkbar, vermittels einer transversalen Auslenkung des Federelements in der ersten Richtung. Zur Begrenzung der Auslenkung ist an dem Substrat wenigstens ein erster Anschlag vorgesehen. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass an der seismischen Masse wenigstens ein zweiter Anschlag vorgesehen ist, welcher derart angeordnet ist, dass die Auslenkbarkeit der seismischen Masse in der ersten Richtung durch das Anschlagen der beiden Anschläge aneinander begrenzt ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Anschlag derart angeordnet ist, dass die Auslenkbarkeit der seismischen Masse in der ersten Richtung durch das Anschlagen des ersten Anschlags an das Federelement begrenzt ist.

Vorteilhaft kann insbesondere der erste Anschlag derart angeordnet sein, dass das Federelement zuerst an den ersten Anschlag anschlagen und bei weiterer transversaler Auslen- kung des Federelements und damit Auslenkung der seismischen Masse in die erste Richtung der zweite Anschlag an den ersten Anschlag anschlagen kann. Hierbei wird die maximale Auslenkbarkeit des Federelements genutzt und schließlich mittels des zweiten Anschlags endgültig begrenzt.

Vorteilhaft kann der erste Anschlag aber auch derart angeordnet sein, dass bei einer bestimmten Auslenkung der seismischen Masse gleichermaßen sowohl das Federelement an den ersten Anschlag als auch der zweite Anschlag an den ersten Anschlag anschlagen kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Anschlag federnd ausgestaltet ist. Vorteilhaft werden hierdurch stoßartige Kraftwirkungen auf das Federelement und oder den zweiten Anschlag vermindert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in der ersten Richtung das Federelement zu einer Seite des ersten Anschlags und der zweite Anschlag zu einer entgegengesetzten Seite des ersten Anschlags angeordnet ist. Vorteilhaft ist hierbei für eine Auslenkung in der ersten Richtung für jeden Richtungssinn ein Anschlag gegeben.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der zweite Anschlag als Verbindungselement des Federelements mit der seismischen Masse ausgestaltet ist. Vor- teilhaft ist das Federelement an der Verbindungsstelle zur seismischen Masse stärker ausgebildet. Dadurch entsteht ein Anschlagbereich in dem das Federelement Kontakt mit dem ersten Anschlag haben kann und dabei weniger federnd oder nachgiebig aufgebaut ist. Der zweite Anschlag in Form dieses Anschlagbereichs des Federelements kann somit größere Kräfte sowohl von der seismischen Masse als auch von dem ersten Anschlag aufnehmen.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass in der ersten Richtung das Federelement zu einer Seite des ersten Anschlags und der zweite Anschlag zu derselben Seite des ersten Anschlags angeordnet ist. Vorteilhaft kann hierbei das Federelement in bestimmbarem Maße von Kraftwirkungen infolge der Auslenkung in der ersten Richtung entlastet werden.

Eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die seismische Masse zur Messung einer Beschleunigung in einer zweiten Richtung auslenkbar ist, vermittels einer Torsion des Federelements. Unerwünschte transversale Auslenkungen des Federelements in der ersten Richtung können durch den erfindungsgemäßen wenigstens einen zweiten Anschlag und ersten Anschlag vorteilhaft begrenzt werden. Alle bereits oben beschriebenen Ausgestaltungen des ersten und zweiten Anschlags sind auch hier vorteilhaft.

Kombinationen der beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des ersten und zweiten Anschlags können ebenfalls vorteilhaft sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

ZEICHNUNG

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein mikromechanisches Bauelement gemäß Stand der Technik.

Fig. 2 zeigt ein mikromechanisches Bauelement gemäß Stand der Technik bei Auslenkung des Federelements und der seismischen Masse bis zu einem ersten Anschlag. Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des erfϊndungsgemäßen mikromechanischen Bauelements in einer Teilansicht.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausfuhrungsform des erfϊndungsgemäßen mikromechanischen Bauelements in einer Teilansicht.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Anhand der im Folgenden beschriebenen Ausfuhrungsformen soll die Erfindung detail- liert dargestellt werden.

Fig. 1 zeigt ein mikromechanisches Bauelement gemäß Stand der Technik. Über einem Substrat 10 mit einer Oberfläche oder hauptsächliche Ebene (x; y), die sich in der Zeichnungsebene befindet, ist eine seismische Masse 1 beweglich angeordnet. Die seismische Masse 1 ist mittels wenigstens eines Federelements 2 über einen Verankerungsbereich 20 mit dem Substrat 10 verbunden. Das mikromechanische Bauelement weist weiterhin wenigstens einen ersten Anschlag 3 auf, der ebenfalls mit dem Substrat 10 verbunden ist. Der erste Anschlag 3 kann unbeweglich ausgestaltet sein, beispielsweise indem er weitgehend fest mit dem Substrat 10 verbunden ist. Der erste Anschlag 3 kann aber auch fe- dernd ausgestaltet sein, wie in der Fig. 3 schematisch gezeigt ist. Dabei ist der erste Anschlag 3 nur teilweise mit dem Substrat 10 verbunden, beispielsweise über den Verankerungsbereich 20, und teilweise relativ zum Substrat 10 beweglich. Die Beweglichkeit des ersten Anschlags 3 ist beispielsweise mittels einer federartigen oder lamellenartigen Ausgestaltung von Teilen des ersten Anschlags 3 vorgebbar. Insbesondere Richtung und Aus- lenkbarkeit, bzw. Rückstellkraft sind dabei vorgebbar.

Fig. 2 zeigt ein mikromechanisches Bauelement gemäß Stand der Technik bei Auslenkung des Federelements und der seismischen Masse bis zu einem ersten Anschlag. Ausschnitt 4 in der Fig. 2 zeigt eine Auslenkung der seismischen Masse 1 und somit auch des Federelements 2 in einer ersten Richtung x bis zum Anschlagen an den ersten Anschlag 3.

Der erste Anschlag 3 begrenzt die Auslenkung des Federelements 2. Um die Auslenkung des Federelements 2 in den Richtungen x und -x zu begrenzen, können zwei zweite Anschläge 6 vorgesehen sein, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Infolge des Anschlagens kommt es zu einer mechanischen Belastung des Federelements 2. Abhängig von der Stärke der mechanischen Belastung des Federelements 2 könnte dieses in der Folge auch brechen oder sich sonstwie plastisch verformen.

Das mikromechanische Bauelement ist insbesondere, wie in den Figuren beispielhaft dargestellt, ein Beschleunigungssensor zur Messung von Beschleunigungen in einer zweiten Richtung z senkrecht zur Substratebene (x; y). Das Federelement 2 ist dabei ein Torsionsfederelement, welches derart verdrehbar ist, dass die seismische Masse 1 bei einer Beschleunigung in Richtung z in Form einer Kippbewegung ausgelenkt wird. Unerwünschte transversale Auslenkungen des Federelements 2 in der ersten Richtung x können durch

Beschleunigungen der seismischen Masse 1 in der Substratebene (x; y) auftreten. Diese transversale Auslenkungen des Federelements 2 in der ersten Richtung x werden durch den ersten Anschlag 3 begrenzt.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des erfϊndungsgemäßen mikromechanischen

Bauelements in einer Teilansicht. Das dargestellte mikromechanische Bauelement weist im Unterschied zu dem Bauelement im Stand der Technik einen zweiten Anschlag 5 auf, der als Verbindungselement des Federelements (2) mit der seismischen Masse 1 ausgestaltet ist. Der zweite Anschlag 5 stellt gewissermaßen ein verstärktes Ende des Federele- ments 2 dar. Das verstärkte Ende bewirkt, dass das Federelement 2 beim Anschlagen des zweiten Anschlags 5 an den ersten Anschlag 3 nicht mehr so leicht brechen oder sich sonstwie plastisch verformen kann. Weiterhin ist in dieser Ausführungsform der erste Anschlag 3 federnd ausgestaltet. Denkbar ist aber auch, den ersten Anschlag 3 fest, also nicht federnd zu gestalten. In der hier gezeigten Ausführungsform ist weiter, in der ersten Richtung betrachtet, das Federelement 2 zu einer Seite des ersten Anschlags 3 und der zweite Anschlag 5 zu derselben Seite des ersten Anschlags 3 angeordnet.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements in einer Teilansicht. Das dargestellte mikromechanische Bauelement weist im Unterschied zu dem Bauelement im Stand der Technik einen zweiten Anschlag 6 auf, der in diesem Beispiel als Ausformung der seismischen Masse 1 ausgestaltet ist. Im Unterschied zu dem in Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel ist hier der zweite Anschlag 6 von dem Federelement 2 baulich getrennt und räumlich getrennt angeordnet. In der hier gezeigten Ausführungsform ist weiter, in der ersten Richtung betrachtet, das Fe- derelement 2 zu einer Seite des ersten Anschlags 3 und der zweite Anschlag 6 zu einer entgegengesetzten Seite des ersten Anschlags 3 angeordnet. Um die Auslenkung des Federelements 2 in den Richtungen x und -x zu begrenzen, können zwei zweite Anschläge 6 vorgesehen sein, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Mikromechanisches Bauelement mit einem Substrat (10), einer seismischen Masse (1) und wenigstens einem Federelement (2),

- wobei die seismische Masse (1) mittels des Federelements (2) mit dem Sub- strat (10) verbunden ist,

- wobei die seismische Masse (1) wenigstens in einer ersten Richtung auslenkbar ist, vermittels einer transversalen Auslenkung des Federelements (2) in der ersten Richtung (x),

- wobei an dem Substrat (10) wenigstens ein erster Anschlag (3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der seismischen Masse wenigstens ein zweiter Anschlag (5, 6) vorgesehen ist, welcher derart angeordnet ist, dass die Auslenkbarkeit der seismischen Masse (1) in der ersten Richtung (x) durch das Anschlagen der beiden Anschläge (3; 5, 6) aneinander begrenzt ist.

2. Mikromechanisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlag (3) derart angeordnet ist, dass die Auslenkbarkeit der seismischen Masse (1) in der ersten Richtung (x) durch das Anschlagen des ersten Anschlags (3) an das Federelement (2) begrenzt ist.

3. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlag (3) federnd ausgestaltet ist.

4. Mikromechanisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Richtung (x) das Federelement (2) zu einer Seite des ersten Anschlags (3) und der zweite Anschlag (6) zu einer entgegengesetzten Seite des ersten Anschlags (3) angeordnet ist.

5. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anschlag (5) als Verbindungselement des Federelements (2) mit der seismischen Masse (1) ausgestaltet ist.

6. Mikromechanisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Richtung (x) das Federelement (2) zu einer Seite des ersten Anschlags (3) und der zweite Anschlag (5) zu derselben Seite des ersten Anschlags (3) angeordnet ist.

7. Mikromechanisches Bauelement zur Messung einer Beschleunigung mit einem Substrat (10), einer seismischen Masse (1) und wenigstens einem Federelement (2),

- wobei die seismische Masse (1) mittels des Federelements (2) mit dem Substrat (10) verbunden ist,

- wobei die seismische Masse (1) wenigstens in einer ersten Richtung auslenkbar ist, vermittels einer transversalen Auslenkung des Federelements (2) in der ersten Richtung,

- wobei die seismische Masse (1) zur Messung einer Beschleunigung in einer zweiten Richtung (z) auslenkbar ist, vermittels einer Torsion des Federelements (2),

- wobei an dem Substrat (10) wenigstens ein erster Anschlag (3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der seismischen Masse wenigstens ein zweiter Anschlag (5, 6) vorgesehen ist, welcher derart angeordnet ist, dass die Auslenkbarkeit der seismischen Masse (1) in der ersten Richtung (x) durch das Anschlagen der beiden Anschläge (3; 5, 6) aneinander begrenzt ist.