WO2010125071A1 - Mikromechanischer sensor - Google Patents

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WO2010125071A1
WO2010125071A1 PCT/EP2010/055635 EP2010055635W WO2010125071A1 WO 2010125071 A1 WO2010125071 A1 WO 2010125071A1 EP 2010055635 W EP2010055635 W EP 2010055635W WO 2010125071 A1 WO2010125071 A1 WO 2010125071A1
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meander
spring
bending
substrate
sensor according
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Hanno Hammer
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Sensordynamics Ag
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    • G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0817—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for pivoting movement of the mass, e.g. in-plane pendulum

Definitions

  • the present invention relates to a micromechanical sensor having a substrate and at least one mass disposed on the substrate and moving relative to the substrate for detecting movements of the sensor due to an acceleration and / or coholic force occurring thereby, wherein the mass and the substrate and / or or two mutually moving masses are interconnected by means of at least one bending spring device for relative rotational movement.
  • Micromechanical sensors are used to determine accelerations and / or rotation rates along or around at least one of three mutually orthogonal spatial axes.
  • the operating principle basically consists in that a sensor mass is moved relative to a substrate in response to the corresponding acceleration or rate of rotation of the sensor.
  • the sensor mass is movably arranged on the substrate by means of a bending spring device, which as a rule consists of one or more bending springs.
  • the design of this spiral springs is largely responsible, in which directions the sensor mass is movable. In the individual spatial directions, the spring stiffnesses of the bending springs are different in order to allow more or less different bending directions.
  • This different mobility is influenced by a variation of the cross-sectional area of the spiral spring and also by the spatial course of the spiral spring.
  • a relatively high elasticity in the plane of the meander can be achieved.
  • the bending springs are ideally linear and are characterized in this case by a single spring constant. Linearity means that a constant force acting in the direction of the intended direction of deflection will always cause an equal deflection of the spring, no matter how strong the spring already deflected. However, this is not the case with the bending springs in sensors of the prior art. The evaluation of the forces acting is therefore difficult and error prone.
  • Micromechanical sensors are known from US Pat. No. 6,705,164 B2 and WO 01/20259 A1, in which sensor masses are fastened to other movable masses by means of a bending spring device or to a substrate by means of an armature.
  • the bending spring device consists of several individual bending springs, which have meanders.
  • the meanders provide elastic mobility between the two masses or mass and the substrate or anchor.
  • the meanders are each fastened by means of short stubs to the relatively movable components of the sensor.
  • the mobility of the bending spring device is essentially caused by the meander itself, but not by the stub.
  • a disadvantage of these bending spring devices of the prior art is that the bending of the bending spring device can not be linearly deflected with the same force.
  • a bending spring device which runs meandering on both sides of short mounting stub.
  • the linearity of the bending spring device may thereby be improved, however, a controllable stiffness of the bending spring device is difficult to realize.
  • the spring is asymmetric due to the S-shaped profile, which can lead to parasitic effects that are difficult to control.
  • Such a bending spring device is usually very soft. A predetermined rigidity is difficult to introduce into this bending spring device.
  • micromechanical sensor having the features of claim 1.
  • a micromechanical sensor has a substrate and at least one mass arranged on the substrate and moving relative to the substrate for determining linear and / or rotational accelerations of the sensor.
  • the mass moves on the one hand in the sense of a - when stationary external accelerations stationary - drive motion form, and on the other hand reacts with detection movements when acceleration and / or Coholis kit act on the sensor.
  • the moving sensor mass is fixed to the substrate by means of at least one bending spring device.
  • a plurality of mutually moving masses can be interconnected by means of at least one bending spring device and moved relative to each other. Accordingly, it is not always necessary for the sensor mass to be arranged directly on the substrate.
  • the sensor mass can also be fastened, for example, to a drive mass and move together with the drive mass as a primary movement and moved only to indicate an acceleration and / or coholic force relative to the drive mass.
  • Sensor mass and drive mass are then connected to each other with the corresponding bending spring device.
  • the bending spring device is designed in the form of at least one meander.
  • the bending spring device for improving its linear behavior or its linear spring characteristic in the rotary motion several, in particular two substantially parallel spring beams with at least two substantially parallel spring beams and at least one, preferably each spring beam at least one meander.
  • the design provided according to the invention in the bending spring device by means of a multiple spring bar, which has at least two substantially parallel spring bars, allows a specific and predeterminable bending stiffness of the bending spring device.
  • the additional arrangement of meanders on at least one, preferably each of the spring beams contributes to the linearity of the bending behavior of the bending spring device very advantageous.
  • the bending spring device according to the invention is thus linearly and uniformly bendable at least with respect to deflections in the plane in which the meanders are arranged.
  • not only double spring beams but also multiple spring beams with more than two spring beams are possible, even if the double spring beams described in particular below are particularly advantageous.
  • multiple meanders are possible. By combining the plurality of cantilevers, which participate in the bending of the bending spring means associated with them meanders is caused to obtain such a spring characteristic that the linearity of the bending spring means is given over the entire range of their deflections.
  • the spring beams but preferably all of the spring beams provided, run essentially parallel to one another.
  • a particularly uniform, intended stiffness of the bending spring device is achieved, which is extensively linearly deflectable over a large bending range.
  • single or all of the spring bars are not parallel, but for example, tapered to each other.
  • a curved design of the spring bar may be advantageous, whereby the parallelism of the spring bar no longer needs to be given.
  • the most favorable embodiment of the invention is to be selected depending on the application and required rigidity of the bending spring device.
  • the meander is designed in such a way that it turns rounded into the spring bar, stresses which are caused by a bend are to be realized more uniformly and without impermissible peaks, even in extreme bending situations.
  • the or the spring bars also rounded in the adjacent component, in particular in the sensor mass or the substrate or an anchor for attachment to the substrate pass. This not only reduces stress peaks in the area of the meander, but also in the other bending spring device.
  • the rounded transition can of course be done without the rounding of the meander.
  • a further measure for reducing and equalizing the stresses in the bending spring device under load can be effected in an advantageous embodiment of the invention in that the rounded transition has an uneven, that is not constant, radius of curvature. Both meander and spring bar are thus particularly gently connected with respect to their voltages to the adjacent components. The uniformity of the relationship between the force acting or the moment of action and the resulting deflection, and the associated accuracy of the measurement of the sensor, are thereby improved. It is particularly advantageous if the rounded transition is elliptical. In this way, it can be achieved, in particular, that peak voltages in the springs, as can be introduced into the sensor on the basis of an externally acting shock event, are mitigated, and damage to the sensor thereby rendered less likely.
  • the meander and / or the spring bar branches into the sensor mass, the substrate and / or an armature for attachment to the substrate in a branched manner. Voltage peaks in the crossing points are thereby additionally reduced. The linear deflection of the bending spring device is thus supported.
  • the meander and / or the spring bar has an elliptical bend or a bulge-like bulge or bulge, this supports a bending behavior which reduces stress peaks even in extreme situations, such as, for example, mechanical shock situations. Damage to the sensor is thereby considerably avoided.
  • the linear bending behavior of the bending spring device improves the signal evaluation of the sensor.
  • the meander is arranged off-center of the cantilever, in particular closer to moving components than to the stationary anchoring of the bending spring device. This results in different lengths of the cantilever on one side and the other side of the meander. Depending on the application and the desired bending stiffness, the length of the respective cantilever section is to be selected. However, it has been found that, in particular in the case of a stationary and a moving part, or in the connection of a less moving component with a more strongly moving component, the meander is arranged closer to the more strongly moving component. should be net. The existing between the meander and the more moving component spring beam portion should therefore be smaller than the portion which faces the less strong or stationary provided component.
  • the distance of the beams of the meander is less than the distance between the two cantilevers.
  • a particularly high linearity of the bending spring device can be achieved.
  • it must be ensured that a strong bending of the bending spring means a contact of the individual spring beams is avoided. Such contact would lead to damage and a strong disturbance of the linearity requirement of the bending spring device.
  • the distance between the two spring beams is a multiple of the width of the spring beams, it is advantageously achieved that a bending spring device is provided which has very elastic, individual bending beams and nevertheless has a relatively high overall rigidity. In addition, a touch of the individual cantilevers is also avoided by the large distance.
  • the length of the two cantilevers is greater than the length of the beams of the meander. This causes that the essential bending movement of the bending spring device is effected by the spring bar itself. Through the meander only a compensation structure is created to support the linearity of the bending spring device.
  • the spring bars of the double-strut bar and / or the bars of the meander are of symmetrical design, a uniform bending of the bending spring device is ensured in both directions provided.
  • a one-sided bend can be provided by an asymmetric design of the bending spring device.
  • the meander has a radius of curvature with an inner center. The radius of curvature should be as large as possible in order to obtain a small curvature of the meander. As a result, voltage peaks are reduced in the range of turns or deflections of the spring.
  • the meander has at least one further radius of curvature with a midpoint outside of the meander, so that the meander is bent into a bulbous shape, a particularly harmonious and uniform transition is created here, which likewise contributes to the reduction of stress peaks.
  • FIG. 1 shows a bending spring device according to the invention with a large
  • FIG. 2 shows a deflected bending spring device according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a bending spring device according to the invention with a small
  • FIG. 4 shows a deflected bending spring device according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a spiral spring device with a meander in the vicinity of the moving part
  • FIG. 6 shows a deflected bending spring device according to FIG. 5
  • Figure 7 is a bending spring device with rounded transitions
  • FIG. 8 shows a bending spring device with several meanders.
  • FIG. 1 shows a bending spring device 1 according to the invention, which has two spring bars 2 extending parallel to one another, wherein a meander 3 is arranged on each of the spring bars 2.
  • the bending spring device 1 is attached at its one end to an armature 4 on a substrate 5.
  • the other end of the bending spring device 1 is arranged on a mass 6, which is deflected or bent parallel to the substrate 5 around the armature 4.
  • the bending takes place in particular as a primary vibration of the mass 6 to the armature 4. It thus allows a rotational movement in a plane or, if it is a sensor mass, as a deflection due to an occurring Coriolis or acceleration force.
  • the spring bar 2 and the meander 3 are formed in their cross section perpendicular to the plane of the drawing so as to allow a bending of the spring bar 2 and the meander 3 in the plane in a controlled manner.
  • a mobility out of the plane is depending on the requirements of the mass 6 either essentially prevented by a correspondingly stable training of the spring beam or controlled by an appropriate design allows.
  • Essential for the present invention is the mobility of the mass 6 within the plane of the drawing.
  • the two substantially mutually parallel spring beams 2 and the two meanders 3 are provided.
  • the bending spring device 1 is enabled, with a deflection around the armature 4 up to a maximum predetermined Auslenkweg largely linear behavior.
  • the spring characteristic - angular deflection against acting torque - the bending spring device 1 is thus largely constant over this predetermined maximum bending path.
  • the inference to be drawn from the traversed path of the mass 6 to the applied torque and / or to a corresponding acceleration or rate of rotation is considerably simplified by the linearity of the movement and leads to significantly better measurement results.
  • the meander 3 is slightly curved. It has a large longitudinal extent with the length L 3 away from its associated spring bar 2.
  • the sections of the spring beams 2 between the armature 4 and the meander 3 and between the meander 3 and the mass 6 are designed with the lengths Li and L 2 of approximately equal length. The bending ability of the spring bar 2 is thereby e- b hinder very large in these sections.
  • FIG. 2 shows a deflected bending spring device 1. It can be seen that the two parallel spring beams 2 bend differently. The meanders 3 are shorter than in FIG. 1 and are likewise bent differently. The meander 3, which is arranged at the bottom in FIG. 2, is slightly compressed, while the upper meander 3 is slightly stretched. Overall, this results in a very good linearization of the deflection over the deflection range, which is provided for the bending of the bending spring device 1.
  • FIG. 3 shows a modified embodiment of FIG. Again, the two spring bars 2 are largely parallel to each other. The meanders 3 arranged on the respective spring bar 2 are shorter than in the embodiment according to FIG. 1. In addition, they are located closer to the armature 4 fixedly arranged on the substrate 5.
  • the bending characteristic of the bending spring device 1 is thus different from that of FIGS. 1 and 2 Depending on the requirement in the individual case, the hardness of the bending spring device 1 and the linearity of the bending spring device 1 can be influenced by a variation of the arrangement of the meander 3 on the spring bar 2 and the formation of the length of the meander 3.
  • the distance a of the arms of the meander 3 is less than the distance A of the spring beam 2.
  • Essential in the choice of the distances a and A is in particular the requirement that It should be avoided that the arms of the meander 3 or the spring beams 2 make contact with each other at the maximum intended bending of the bending spring device 1 and thus lead to damage or erroneous measurement results.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the bending spring device 1.
  • the meanders 3 are arranged closer to the moving mass 6.
  • the section of the spring beam 2 between the armature 4 and the meander 3 is significantly longer than the section between the meander 3 and the mass 6.
  • the arrangement of the meanders 3 on the spring bar 2 can lead to different bending characteristics of the bending spring device 1.
  • the spring characteristic and linearity of the spring can be influenced by the arrangement of the meander 3.
  • the bending spring device 1 is thereby formed harder or less hard or linear or less linear.
  • the aim in any case is to obtain either a spring which is as linear as possible or a spring with a precisely adjustable non-linear characteristic within the maximum intended bending range.
  • FIG. 7 shows a schematic diagram of a further embodiment of a bending spring device 1.
  • the transitions of the spring beams 2 in the adjoining components such as armature 4 and 6 mass are rounded.
  • the meanders 3 also have curves.
  • the curves are partly curve curves on curvature circles with constant radius or with variable radius.
  • the meanders 3 have indentations, whereby a relatively large circle of curvature and thus a small curvature of the spring on the meander 3 is obtained at the turning point. Voltage peaks at the transitions and within the individual spring sections are thereby reduced. Damage to the bending spring device 1 can thereby be prevented even with shock influences.
  • these rounded transitions also serve a more uniform and thus more linear bending of the bending spring device 1.
  • FIG. 8 shows a further variant of the present invention.
  • the bending spring device 1 in turn has two parallel spring beams 2. At each cantilever 2, two meanders 3 are arranged.
  • the transitions from the spring beams 2 in the meander 3 and at the turning point in the meander 3 are designed with a small curvature, that is, there are relatively large arcs of curvature provided, to which the bending springs cling.
  • the present invention is not limited to the illustrated embodiments.
  • the two cantilevers 2 more or less slightly conical to run towards each other.
  • embodiments are covered by the invention, which fall under the wording of the valid claims.

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Abstract

Ein mikromechanischer Sensor mit einem Substrat (5) und zumindest einer an dem Substrat (5) angeordneten und sich relativ zu dem Substrat (5) bewegenden Masse (6) dient zur Ermittlung von Bewegungen des Sensors auf Grund einer dabei auftretenden Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft. Die Masse (6) und das Substrat (5) und/oder zwei sich zueinander bewegende Massen sind mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung (1) für eine relative Drehbewegung miteinander verbunden. Die Biegefedereinrichtung (1) weist zur Verbesserung ihrer linearen Federcharakteristik bei der Drehbewegung mehrere, insbesondere zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Federbalken (2) sowie an zumindest einem, vorzugsweise jedem Federbalken (2), mindestens einen Mäander (3) auf.

Description

Mikromechanischer Sensor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor mit einem Substrat und zumindest einer an dem Substrat angeordneten und sich relativ zu dem Substrat bewegenden Masse zur Ermittlung von Bewegungen des Sensors aufgrund einer dabei auftretenden Beschleunigungs- und/oder Coholiskraft, wobei die Masse und das Substrat und/oder zwei sich zueinander bewegende Massen mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung für eine relative Drehbewegung miteinander verbunden sind.
Mikromechanische Sensoren werden zur Ermittlung von Beschleunigungen und/oder Drehraten entlang einer bzw. um mindestens eine von drei orthogonal aufeinanderstehenden Raumachsen verwendet. Das Wirkprinzip besteht grundsätzlich darin, dass eine Sensormasse relativ zu einem Substrat als Reaktion auf die entsprechende Beschleunigung oder Drehrate des Sensors bewegt wird. Die Sensormasse ist hierfür beweglich an dem Substrat mittels einer Biegefedereinrichtung, welche in der Regel aus einer oder mehreren Biegefedern besteht, angeordnet. Die Gestaltung dieser Biegefedern ist maßgeblich dafür verantwortlich, in welche Richtungen die Sensormasse bewegbar ist. In den einzelnen Raumrichtungen sind die Federsteifigkeiten der Biegefedern unterschiedlich, um unterschiedliche Biegerichtungen mehr oder weniger zuzulassen. Diese unterschiedliche Beweglichkeit ist beeinflussbar durch eine Variation der Querschnittsfläche der Biegefeder und auch durch den räumlichen Verlauf der Biegefeder. Insbesondere bei einer mäan- derförmigen Gestaltung der Biegefeder kann eine relativ hohe Elastizität in der Ebene des Mäanders erreicht werden. Die Biegefedern sind im Idealfall linear und werden in diesem Fall durch eine einzige Federkonstante charakterisiert. Linearität bedeutet, dass eine konstante, in Richtung der vorgesehenen Auslenkungsrichtung einwirkende, Kraft immer eine gleichgroße Auslenkung der Feder nach sich zieht, unabhängig davon, wie stark die Feder bereits ausgelenkt ist. Bei den Biegefedern in Sensoren des Standes der Technik ist dies aber nicht der Fall. Die Auswertung der einwirkenden Kräfte ist daher schwierig und fehlerbehaftet.
Aus der US 6,705,164 B2 und der WO 01/20259 A1 sind mikromechanische Sensoren bekannt, bei welchen Sensormassen mittels einer Biegefederein- richtung an anderen bewegbaren Massen oder mittels eines Ankers an einem Substrat befestigt sind. Die Biegefedereinrichtung besteht aus mehreren einzelnen Biegefedern, welche Mäander aufweisen. Durch die Mäander wird eine elastische Beweglichkeit zwischen den zwei Massen oder der Masse und dem Substrat bzw. Anker erhalten. Die Mäander sind jeweils mittels kurzer Stummel an den relativ zueinander bewegbaren Bauteilen des Sensors befestigt. Die Beweglichkeit der Biegefedereinrichtung wird dabei im Wesentlichen durch die Mäander selbst, nicht aber durch die Stummel bewirkt. Nachteilig bei diesen Biegefedereinrichtungen des Standes der Technik ist, dass die Biegung der Biegefedereinrichtung bei gleicher Kraft nicht linear ausgelenkt werden kann. Dies ist besonders nachteilig, da beispielsweise bei gleicher Coholiskraft der Weg der Auslenkung der entsprechenden Sensormasse mit zunehmender Auslenkung geringer wird. Hierdurch entstehen Fehler bei der Erfassung der zugeordneten Beschleunigungs- oder Drehratenwerte bzw. es sind für deren Ausgleich aufwändige Berechnungen, welche ebenfalls die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Anzeige der Beschleunigung oder Drehrate verschlechtern, erforderlich.
Aus der US 6,954,301 B2 ist eine Biegefedereinrichtung bekannt, welche mäanderförmig nach beiden Seiten kurzer Befestigungsstummel verläuft. Die Lineahtät der Biegefedereinrichtung mag hierdurch zwar verbessert sein, eine kontrollierbare Steifigkeit der Biegefedereinrichtung ist allerdings nur schwer zu realisieren. Des Weiteren ist die Feder durch den s-förmigen Verlauf asymmetrisch, was schwer kontrollierbare parasitäre Effekte nach sich ziehen kann. Eine derartige Biegefedereinrichtung ist in der Regel sehr weich. Eine vorbestimmte Steifigkeit kann nur schwer in diese Biegefederein- richtung eingebracht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen mikromechanischen Sensor zu schaffen, bei welchem eine Biegefedereinrichtung vorhanden ist, welche eine möglichst lineare Auslenkung der Biegefedereinrichtung erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem mikromechanischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Ein erfindungsgemäßer mikromechanischer Sensor weist ein Substrat auf und zumindest eine an dem Substrat angeordnete und sich relativ zu dem Substrat bewegende Masse zur Ermittlung von Linear- und/oder Drehbeschleunigungen des Sensors. Die Masse bewegt sich einerseits im Sinne einer - bei Wegfall äußerer Beschleunigungen stationären - Antriebsbewegungsform, und reagiert andererseits mit Erfassungsbewegungen, wenn Beschleunigungs- und/oder Coholiskräfte auf den Sensor wirken. Die sich bewegende Sensormasse ist an dem Substrat mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung befestigt. Alternativ können auch mehrere sich zueinander bewegende Massen mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung miteinander verbunden sein und relativ zueinander bewegt werden. Es ist dementsprechend nicht in jedem Falle notwendig, dass die Sensormasse direkt an dem Substrat angeordnet ist. Bei manchen Ausgestaltungen erfindungsgemäßer mikromechanischer Sensoren kann die Sensormasse auch beispielsweise an einer Antriebsmasse befestigt sein und sich zusammen mit der Antriebsmasse als Primärbewegung bewegen und lediglich zur Anzeige einer Beschleunigungs- und/oder Coholiskraft relativ zu der Antriebsmasse bewegt werden. Sensormasse und Antriebsmasse sind dann mit der entsprechenden Biegefedereinrichtung miteinander verbunden. Die Biegefedereinrichtung ist in Form wenigstens eines Mäanders ausgestaltet. Erfindungsgemäß weist die Biegefedereinrichtung zur Verbesserung ihres linearen Verhaltens bzw. ihrer linearen Federcharakteristik bei der Drehbewegung mehrere, insbesondere zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Federbalken mit zumindest zwei im Wesentlichen parallel verlaufenden Federbalken sowie an zumindest einem, vorzugsweise jedem Federbalken mindestens einen Mäander auf.
Die erfindungsgemäß in der Biegefedereinrichtung vorgesehene Gestaltung mittels eines Mehrfachfederbalkens, welcher zumindest zwei im Wesentlichen parallel verlaufende Federbalken aufweist, erlaubt eine gezielte und vorbestimmbare Biegesteifigkeit der Biegefedereinrichtung. Die zusätzliche Anordnung von Mäandern an zumindest einem, vorzugsweise jedem der Federbalken trägt zur Linearität des Biegeverhaltens der Biegefedereinrichtung sehr vorteilhaft bei. Die erfindungsgemäße Biegefedereinrichtung ist somit zumindest hinsichtlich Auslenkungen in der Ebene, in welcher die Mäander angeordnet sind, linear und gleichförmig biegbar. Erfindungsgemäß sind nicht nur Doppelfederbalken, sondern auch Mehrfachfederbalken mit mehr als zwei Federbalken möglich, auch wenn die im Folgenden insbesondere beschriebenen Doppelfederbalken besonders vorteilhaft sind. Des weiteren sind Mehrfachmäander möglich. Durch die Kombination der mehreren Federbalken, welche an der Biegung der Biegefedereinrichtung teilhaben, mit ihnen zugeordneten Mäandern wird bewirkt, dass eine derartige Federcharakteristik erhalten wird, dass die Linearität der Biegefedereinrichtung über den gesamten Bereich ihrer Auslenkungen gegeben ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest zwei der Federbalken, vorzugsweise aber alle der vorgesehenen Federbalken, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Es wird hierdurch eine besonders gleichmäßige, vorgesehene Steifigkeit der Biegefedereinrichtung erzielt, welche über einen großen Biegebereich hinweg weitgehend linear auslenkbar ist. In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass einzelne oder alle der Federbalken nicht parallel, sondern beispielsweise konisch zueinander verlaufen. Auch eine gebogene Ausführung der Federbalken kann vorteilhaft sein, wodurch die Parallelität der Federbalken nicht mehr gegeben sein muss. Die jeweils günstigste Ausführung der Erfindung ist je nach Anwendungsfall und geforderter Steifigkeit der Biegefedereinrichtung zu wählen.
Ist der Mäander derart ausgebildet, dass er verrundet in den Federbalken übergeht, so sind Spannungen, welche durch eine Biegung hervorgerufen werden, gleichmäßiger und ohne unzulässiger Spitzen auch in extremen Biegesituationen zu realisieren.
Ebenso wie der Mäander verrundet in den Federbalken übergehen kann, um Spannungsspitzen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn der oder die Federbalken ebenfalls verrundet in das benachbarte Bauteil, insbesondere in die Sensormasse oder das Substrat oder einen Anker zur Befestigung an dem Substrat übergehen. Damit werden nicht nur Spannungsspitzen im Bereich des Mäanders, sondern auch in der übrigen Biegefedereinrichtung reduziert. Der verrundete Übergang kann selbstverständlich auch ohne die Verrundung an dem Mäander erfolgen.
Eine weitere Maßnahme zur Verringerung und Vergleichmäßigung der Spannungen in der Biegefedereinrichtung unter Belastung kann in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung dadurch erfolgen, dass der verrundete Übergang einen im Verlauf ungleichen, das heißt nicht konstanten Krümmungsradius aufweist. Sowohl Mäander als auch Federbalken werden hierdurch besonders schonend bezüglich ihrer Spannungen an die benachbarten Bauteile angebunden. Die Gleichmäßigkeit der Beziehung zwischen angreifender Kraft oder angreifendem Moment und resultierender Auslenkung, und die damit verbundene Genauigkeit der Messung des Sensors, werden hierdurch verbessert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der verrundete Übergang elliptisch ist. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass Spitzenspannungen in den Federn, wie sie aufgrund eines von außen einwirkenden Schockereignisses in den Sensor eingeleitet werden können, abgemildert, und Beschädigungen des Sensors hierdurch unwahrscheinlicher gemacht werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Mäander und/oder der Federbalken verzweigt in die Sensormasse, das Substrat und/oder einen Anker zur Befestigung an dem Substrat übergeht. Spannungsspitzen in den Übergangsstellen werden hierdurch zusätzlich reduziert. Die lineare Auslenkung der Biegefedereinrichtung wird somit unterstützt.
Weist der Mäander und/oder der Federbalken eine elliptische Biegung oder eine bauchartige Aus- bzw. Einwölbung auf, so unterstützt dies ein Biegeverhalten, welches Spannungsspitzen auch in extremen Situationen, wie beispielsweise mechanische Schocksituationen, reduziert. Beschädigungen des Sensors werden hierdurch ganz erheblich vermieden. Das lineare Biegungsverhalten der Biegefedereinrichtung verbessert die Signalauswertung des Sensors.
Vorteilhafterweise ist der Mäander außermittig des Federbalkens, insbesondere näher an bewegten Bauteilen als an der stationären Verankerung der Biegefedereinrichtung angeordnet. Hierdurch ergeben sich unterschiedliche Längen des Federbalkens auf der einen und der anderen Seite des Mäanders. Je nach Einsatzfall und der gewünschten Biegesteifigkeit ist die Länge des jeweiligen Federbalkenabschnitts zu wählen. Es hat sich allerdings erwiesen, dass insbesondere bei einem stationären und einem bewegten Teil, oder bei der Verbindung eines weniger bewegten mit einem stärker bewegten Bauteils, der Mäander näher an dem stärker bewegten Bauteil angeord- net sein soll. Der zwischen dem Mäander und dem stärker bewegten Bauteil vorhandene Federbalkenabschnitt soll somit kleiner sein als der Abschnitt, der dem weniger stark oder stationär vorgesehenen Bauteil zugewandt ist.
Vorzugsweise ist der Abstand der Balken des Mäanders geringer als der Abstand der beiden Federbalken. Bei einer derartigen Gestaltung hat sich herausgestellt, dass eine besonders hohe Linearität der Biegefedereinrichtung zu erzielen ist. In jedem Fall muß sichergestellt werden, dass bei einer starken Biegung der Biegefedereinrichtung eine Berührung der einzelnen Federbalken vermieden wird. Eine derartige Berührung würde zu Beschädigungen und einer starken Störung der Linearitätsanforderung der Biegefedereinrichtung führen.
Ist der Abstand der beiden Federbalken ein Mehrfaches der Breite der Federbalken, so ist vorteilhafterweise bewirkt, dass eine Biegefedereinrichtung geschaffen wird, welche sehr elastische, einzelne Biegebalken aufweist und dennoch eine relativ hohe Gesamtsteifigkeit hat. Darüber hinaus wird eine Berührung der einzelnen Federbalken durch den großen Abstand auch vermieden.
Vorteilhafterweise ist die Länge der beiden Federbalken größer als die Länge der Balken des Mäanders. Hierdurch wird bewirkt, dass die wesentliche Biegebewegung der Biegefedereinrichtung durch die Federbalken selbst erfolgt. Durch den Mäander wird lediglich eine Ausgleichsstruktur geschaffen, um die Linearität der Biegefedereinrichtung zu unterstützen.
Sind die Federbalken des Doppelfederbalkens und/oder die Balken des Mäanders symmetrisch ausgebildet, so wird eine gleichmäßige Biegung der Biegefedereinrichtung nach beiden vorgesehenen Richtungen gewährleistet. Andererseits kann eine einseitige Biegung vorgesehen werden durch eine asymmetrische Ausbildung der Biegefedereinrichtung. Um eine besonders harmonische und gleichmäßige Biegung ohne Spannungsspitzen auf einzelne Teile der Biegefedereinrichtung zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Mäander einen Krümmungsradius mit einem inneren Mittelpunkt aufweist. Der Krümmungsradius soll dabei möglichst groß sein um eine geringe Krümmung des Mäanders zu erhalten. Hierdurch werden Spannungsspitzen im Bereich der Wendungen oder Umlenkungen der Feder reduziert.
Weist der Mäander zumindest einen weiteren Krümmungsradius mit einem Mittelpunkt außerhalb des Mäanders auf, so dass der Mäander bauchförmig eingebogen ist, so wird hier ein besonders harmonischer und gleichmäßiger Übergang geschaffen, welcher ebenfalls zur Reduktion von Spannungsspitzen beiträgt.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Biegefedereinrichtung mit großem
Mäander,
Figur 2 eine ausgelenkte Biegefedereinrichtung gemäß Figur 1 ,
Figur 3 eine erfindungsgemäße Biegefedereinrichtung mit kleinem
Mäander,
Figur 4 eine ausgelenkte Biegefedereinrichtung gemäß Figur 3,
Figur 5 eine Biegefedereinrichtung mit Mäander in Nähe des bewegten Teiles, Figur 6 eine ausgelenkte Biegefedereinrichtung gemäß Figur 5,
Figur 7 eine Biegefedereinrichtung mit gerundeten Übergängen und
Figur 8 eine Biegefedereinrichtung mit mehreren Mäandern.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Biegefedereinrichtung 1 , welche zwei parallel zueinander verlaufende Federbalken 2 aufweist, wobei an jedem der Federbalken 2 jeweils ein Mäander 3 angeordnet ist. Die Biegefedereinrichtung 1 ist an ihrem einen Ende an einem Anker 4 auf einem Substrat 5 befestigt. Das andere Ende der Biegefedereinrichtung 1 ist an einer Masse 6 angeordnet, welche parallel zu dem Substrat 5 um den Anker 4 herum ausgelenkt bzw. gebogen wird. Die Biegung erfolgt insbesondere als Primärschwingung der Masse 6 um den Anker 4. Sie ermöglicht somit eine Drehbewegung in einer Ebene oder aber, wenn es sich um eine Sensormasse handelt, als eine Auslenkung aufgrund einer auftretenden Coriolis- oder Beschleunigungskraft. Die Federbalken 2 und der Mäander 3 sind in ihrem Querschnitt senkrecht zur Zeichenebene derart ausgebildet, dass sie eine Biegung der Federbalken 2 und des Mäanders 3 in der Zeichenebene in kontrollierter Weise zulassen. Eine Beweglichkeit aus der Zeichenebene heraus ist je nach Anforderungen an die Masse 6 entweder durch eine entsprechend stabile Ausbildung der Federbalken im Wesentlichen unterbunden oder durch eine entsprechende Gestaltung kontrolliert ermöglicht. Wesentlich für die hier vorliegende Erfindung ist die Beweglichkeit der Masse 6 innerhalb der Zeichenebene.
Um zur Lösung der Aufgabe möglichst hohe Linearität der Biegung der Biegefedereinrichtung 1 zu erzielen, sind die beiden im Wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Federbalken 2 und die beiden Mäander 3 vorgesehen. Hierdurch wird die Biegefedereinrichtung 1 in die Lage versetzt, sich bei einer Auslenkung um den Anker 4 bis zu einem maximalen vorbestimmten Auslenkweg weitgehend linear zu verhalten. Das bedeutet im vorliegenden Fall, dass ein auf die Masse 6 einwirkendes, senkrecht zur Zeichenebene stehendes Drehmoment immer eine gleich große rotationsartige Winkelauslenkung der Masse 6 innerhalb der Zeichenebene bewirkt, unabhängig davon, wie stark ausgelenkt die Masse 6 innerhalb der Zeichenebene bereits ist. Die Federkennlinie - Winkelauslenkung gegenüber einwirkendem Drehmoment - der Biegefedereinrichtung 1 ist somit über diesen vorbestimmten maximalen Biegeweg weitgehend konstant. Der Rückschluss, der aus dem zurückgelegten Weg der Masse 6 auf das einwirkende Drehmoment und/oder auf eine entsprechende Beschleunigung oder Drehrate zu ziehen ist, wird durch die Linearität der Bewegung wesentlich vereinfacht und führt zu deutlich besseren Messergebnissen.
Bei der Ausführung der Figur 1 ist der Mäander 3 leicht bogenförmig ausgeführt. Er weist eine große Längserstreckung mit der Länge L3 weg von dem ihm zugeordneten Federbalken 2 auf. Die Abschnitte der Federbalken 2 zwischen dem Anker 4 und dem Mäander 3 sowie zwischen dem Mäander 3 und der Masse 6 sind mit den Längen Li und L2 etwa gleich lang ausgeführt. Die Biegefähigkeit der Federbalken 2 ist hierdurch in diesen Abschnitten e- benfalls sehr groß.
Figur 2 zeigt eine ausgelenkte Biegefedereinrichtung 1. Dabei ist ersichtlich, dass sich die beiden parallel verlaufenden Federbalken 2 unterschiedlich biegen. Die Mäander 3 sind kürzer als bei Figur 1 und werden ebenfalls unterschiedlich gebogen. Der in der Figur 2 unten angeordnete Mäander 3 wird dabei leicht zusammengedrückt, während der obere Mäander 3 leicht gedehnt wird. Insgesamt wird dadurch über den Auslenkungsbereich, der für die Biegung der Biegefedereinrichtung 1 vorgesehen ist, bereits eine sehr gute Linearisierung der Auslenkung erzielt. In Figur 3 ist eine abgewandelte Ausführung der Figur 1 dargestellt. Wiederum verlaufen die beiden Federbalken 2 weitgehend parallel zueinander. Die an dem jeweiligen Federbalken 2 angeordneten Mäander 3 sind kürzer als in der Ausführung gemäß Figur 1. Außerdem befinden sie sich näher an dem fest auf dem Substrat 5 angeordneten Anker 4. Die Biegecharakteristik der Biegefedereinrichtung 1 ist damit unterschiedlich zu der aus Figur 1 und 2. Je nach Anforderung im Einzelfall kann durch eine Variation der Anordnung der Mäander 3 an dem Federbalken 2 sowie der Ausbildung der Länge des Mäanders 3 die Härte der Biegefedereinrichtung 1 und die Linearität der Biegefedereinrichtung 1 beeinflusst werden.
Sowohl bei der Ausführung nach Figur 1 , als auch bei der Ausführung nach Figur 3 ist der Abstand a der Arme des Mäanders 3 geringer als der Abstand A der Federbalken 2. Wesentlich bei der Wahl der Abstände a und A ist insbesondere die Forderung, dass zu vermeiden ist, dass sich bei der maximal vorgesehenen Biegung der Biegefedereinrichtung 1 die Arme des Mäanders 3 oder die Federbalken 2 berühren und somit zu Beschädigungen bzw. fehlerhaften Messergebnissen führen.
In Figur 4 ist die Auslenkung der Biegefedereinrichtung 1 der Figur 3 dargestellt. Auch hier ist ersichtlich, dass der in der vorliegenden Darstellung unten eingezeichnete Mäander 3 zusammengedrückt wird, während der oben dargestellte Mäander 3 leicht auseinander gezogen wird. Die Biegelinie der Federbalken 2 unterscheidet sich auch ganz deutlich von der Biegelinie der Federbalken 2 aus Figur 2. Durch die Anordnung der Mäander 3 näher an dem Anker 4 erfolgt eine stärkere Biegung des Abschnitts des Federbalkens 2, welcher sich zwischen Anker 4 und Mäander 3 befindet. Der Abschnitt des Federbalkens 2 zwischen dem Mäander 3 und der Masse 6 wird hingegen weniger stark gebogen. Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Biegefedereinrichtung 1. Hier sind die Mäander 3 näher an der bewegten Masse 6 angeordnet. Der Abschnitt des Federbalkens 2 zwischen dem Anker 4 und dem Mäander 3 ist dabei deutlich länger als der Abschnitt zwischen dem Mäander 3 und der Masse 6.
Gemäß der Darstellung der Figur 6 ist eine Biegung nach oben gezeigt. Wiederum biegt sich einer der Mäander 3 zusammen, während der andere Mäander 3 auseinandergezogen wird. Die Druckspannung auf den Mäander 3 erfolgt dabei ebenso wie bei den anderen Ausführungsbeispielen an dem Mäander 3, welcher in Biegerichtung angeordnet ist.
Aus den Figuren 1 bis 6 ist ersichtlich, dass die Anordnung der Mäander 3 an den Federbalken 2 zu unterschiedlichen Biegecharakteristiken der Biegefedereinrichtung 1 führen können. Je nach Anforderung, die an die Biegefedereinrichtung 1 gestellt wird, kann durch die Anordnung der Mäander 3 die Federcharakteristik und Lineahtät der Feder beeinflusst werden. Die Biegefedereinrichtung 1 wird dadurch härter oder weniger hart bzw. linearer oder weniger linear ausgebildet. Ziel ist es in jedem Fall, entweder eine möglichst lineare Feder, oder eine Feder mit genau einstellbarer nichtlinearer Charakteristik innerhalb des maximal vorgesehenen Biegebereichs zu erhalten.
In Figur 7 ist eine Prinzipskizze einer weiteren Ausführung einer Biegefedereinrichtung 1 dargestellt. Die Übergänge der Federbalken 2 in die daran anschließenden Bauteile wie beispielsweise Anker 4 und Masse 6 sind gerundet ausgeführt. Auch die Mäander 3 weisen Rundungen auf. Die Rundungen sind teils Schmiegekurven an Krümmungskreise mit konstantem Radius oder mit veränderlichem Radius. Die Mäander 3 weisen Einbeulungen auf, wodurch an der Wendestelle ein relativ großer Krümmungskreis und damit eine geringe Krümmung der Feder an dem Mäander 3 erhalten wird. Spannungsspitzen an den Übergängen sowie innerhalb der einzelnen Federabschnitte werden hierdurch reduziert. Beschädigungen der Biegefedereinrichtung 1 können dadurch auch bei Schockeinflüssen verhindert werden. Außerdem dienen diese abgerundeten Übergänge auch einer gleichmäßigeren und damit lineareren Biegung der Biegefedereinrichtung 1.
In Figur 8 ist eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Biegefedereinrichtung 1 weist wiederum zwei parallel verlaufende Federbalken 2 auf. An jedem Federbalken 2 sind zwei Mäander 3 angeordnet. Die Übergänge von den Federbalken 2 in die Mäander 3 sowie an der Wendestelle in dem Mäander 3 sind mit kleiner Krümmung ausgeführt, das heißt es sind relativ große Krümmungskreise vorgesehen, an welchen sich die Biegefedern anschmiegen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können beispielsweise die beiden Federbalken 2 mehr oder weniger leicht konisch aufeinander zu laufen. Im Übrigen sind Ausführungen von der Erfindung erfasst, welche unter den Wortlaut der geltenden Ansprüche fallen.
Bezuqszeichenliste
1 Biegefedereinrichtung
2 Federbalken
3 Mäander
4 Anker
5 Substrat
6 Masse
a Abstand Mäander
A Abstand Federbalken
L Länge

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Mikromechanischer Sensor mit einem Substrat (5) und zumindest einer an dem Substrat (5) angeordneten und sich relativ zu dem Substrat (5) bewegenden Masse (6) zur Ermittlung von Bewegungen des Sensors auf Grund einer dabei auftretenden Beschleunigungs- und/oder Corioliskraft, wobei die Masse (6) und das Substrat (5) und/oder zwei sich zueinander bewegende Massen mittels zumindest einer Biegefedereinrichtung (1 ) für eine relative Drehbewegung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefedereinrichtung (1 ) zur Verbesserung ihrer linearen Federcharakteristik bei der Drehbewegung mehrere, insbesondere zwei im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Federbalken (2) sowie an zumindest einem, vorzugsweise jedem Federbalken (2) mindestens einen Mäander (3) aufweist.
2. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) verrundet in den Federbalken (2) übergeht.
3. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Federbalken (2) verrundet in die Masse (6) oder das Substrat (5) oder einen Anker (4) zur Befestigung an dem Substrat (5) übergeht.
4. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verrundete Übergang einen im Verlauf nicht konstanten Krümmungsradius aufweist.
5. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verrundete Übergang elliptisch ist.
6. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Federbalken (2) verzweigt in die Masse (6) oder das Substrat (5) oder einen Anker (4) zur Befestigung an dem Substrat (5) übergeht.
7. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) und/oder der Federbalken (2) eine elliptische Biegung aufweist.
8. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) außermittig des Federbalkens (2), insbesondere näher an bewegten Bauteilen als an der stationären Verankerung der Biegefedereinrichtung (1 ) angeordnet ist.
9. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) der Balken des Mäanders (3) geringer als der Abstand (A) der beiden Federbalken (2) ist.
10. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) der beiden Federbalken (2) ein Mehrfaches der Breite der Federbalken (2) ist.
11. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L1 + L2) der beiden Federbalken (2) größer als die Länge (L3) der Balken des Mäanders (3) ist.
12. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federbalken (2) des Doppelfederbal- kens (2) und/oder die Balken des Mäanders (3) symmetrisch verlaufen.
13. Sensor nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) einen Krümmungsradius mit einem inneren Krümmungsmittelpunkt aufweist.
14. Sensor nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Mäander (3) zumindest einen weiteren Krümmungsradius mit einem Krümmungsmittelpunkt außerhalb des Mäanders (3) aufweist.
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