DE102013208824A1

DE102013208824A1 - Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102013208824A1
Application number: DE102013208824.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-11-20
Also published as: US20140338450A1

Abstract

Die Erfindung schlägt einen Beschleunigungssensor mit einem Substrat und einer seismischen Masse vor, wobei der Beschleunigungssensor eine Haupterstreckungsebene aufweist und eine Federeinrichtung umfasst, über die das Substrat und die seismische Masse derart verbunden sind, dass die seismische Masse bei einer Beschleunigung in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Detektionsrichtung um eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehachse im Sinne einer Kippbewegung auslenkbar ist, wobei die seismische Masse darüber hinaus über mindestens eine erste Feder mit dem Substrat verbunden ist, wobei die Steifigkeit der ersten Feder bei einer Auslenkung der seismische Masse im Sinne der Kippbewegung in Detektionsrichtung kleiner ist als die Steifigkeit der ersten Feder bei einer Auslenkung in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Primärrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
Solche Beschleunigungssensoren sind beispielsweise bekannt aus den Druckschriften EP 0 244 581 und EP 0 773 443 B1 . Dabei ist die seismische Masse vorzugsweise mit einer Torsionsfeder derart mit dem Substrat verbunden, dass bei einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Beschleunigung die seismische Masse um eine Drehachse gekippt wird. Zusammen mit auf dem Substrat fixierten Gegenelektroden bildet die seismische Masse in der Regel einen Plattenkondensator, dessen Kapazität sich bei der Kippbewegung der seismischen Masse ändert und dadurch zur quantitativen Bestimmung der Beschleunigung herangezogen werden kann.
In der Praxis werden an Beschleunigungssensoren hohe Anforderungen gestellt, insbesondere an deren Überlastfestigkeit, d.h. sie sollten auch bei hoher mechanischer Überlast plausible Signale liefern. Eine in diesem Zusammenhang bekannte Fehlerquelle ist das mechanische Anschlagen der beweglichen seismischen Masse. Ein solches Clipping kann in alle drei Raumrichtungen erfolgen, insbesondere aber in Richtungen parallel zur Haupterstreckungsebene (in-plane Clipping). Als besonders kritisch hinsichtlich des Clipping-Verhaltens gelten dabei Translationsbewegungen der seismischen Masse in eine senkrecht zur Drehachse (der Kippbewegung) verlaufende Richtung und Rotationsbewegungen der seismischen Masse um eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Achse. Diese beiden (in-plane-)Störmoden können bei einer Störanregungen mit passenden Frequenzen resonant angeregt werden, wobei die Frequenzen für die beiden besagten (in-plane)-Störmoden relativ nah bei der Nutzungsfrequenz für die Kippbewegung liegen. Der Stand der Technik sieht es daher zur Verbesserung des Clipping-Verhaltens vor, die Frequenzen für die Störmoden zu erhöhen, indem beispielsweise als Torsionsfeder eine Feder mit T-förmigem Querschnitt verwendet wird. Mit dieser Feder kann zwar in vielversprechender Weise das Clipping verbessert werden, aber nachteilhafterweise wird dadurch auch die Störempfindlichkeit des Beschleunigungssensors gegenüber anderen Einflüssen erhöht. Insbesondere kann bei einer Beschleunigung in eine senkrecht zur Drehachse und parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung eine Kippbewegung auftreten, die fälschlicherweise einen Signalbeitrag liefert.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen, der das in-Plane Clipping stark reduziert, ohne dabei die Störempfindlichkeit gegenüber anderen Einflüssen deutlich zu erhöhen.
Offenbarung
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Beschleunigungssensor mit einem Substrat und einer seismischen Masse, wobei der Beschleunigungssensor eine Haupterstreckungsebene aufweist und eine Federeinrichtung, vorzugsweise eine Torsionsfeder, umfasst, über die das Substrat und die seismische Masse derart verbunden sind, dass die seismische Masse bei einer Beschleunigung in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Detektionsrichtung um eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehachse im Sinne einer Kippbewegung auslenkbar ist. Es ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, dass die seismische Masse darüber hinaus über mindestens eine erste Feder mit dem Substrat verbunden ist, wobei die Steifigkeit der ersten Feder, insbesondere ihre Biegesteifigkeit, bei einer Auslenkung der seismische Masse im Sinne der Kippbewegung in Detektionsrichtung kleiner ist als die Steifigkeit der ersten Feder, insbesondere ihre Biegesteifigkeit, bei Auslenkung in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Primärrichtung. Dies hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine in-plane-Bewegung entlang der Primärrichtung unterdrückt wird, ohne dass die Auslenkung in Detektionsrichtung für die seismische Masse im Wesentlichen eingeschränkt wird. Dadurch lässt sich ein in-plane-Clipping, d. h. ein mechanisches Anschlagen der seismischen Masse einschränken. Darüber hinaus kann die Federeinrichtung innerhalb des Beschleunigungssensors so angeordnet sein, dass der Massenschwerpunkt der seismischen Masse und die parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehachse auf einer Höhe liegen. Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass eine Beschleunigung in eine senkrecht zur Drehachse und parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung im Wesentlichen zu keiner Kippbewegung der seismischen Masse führt. Es ist dabei vorgesehen, dass die Kippbewegung um eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehachse erfolgt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die seismische Masse darüber hinaus über mindestens eine zweite Feder mit dem Substrat verbunden, deren Steifigkeit, insbesondere ihre Biegesteifigkeit, bei einer Auslenkung der seismischen Masse im Sinne der Kippbewegung in Detektionsrichtung kleiner ist als deren Steifigkeit bei einer Auslenkung in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Sekundärrichtung. Dabei ist es vorgesehen, dass die Primärrichtung und die Sekundärrichtung senkrecht zueinander verlaufen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine in-plane Bewegung sowohl entlang der Primärrichtung als auch entlang der Sekundärrichtung unterdrückt wird. Damit ist es möglich, die Frequenz potentieller Störmoden zu erhöhen. Dies betrifft insbesondere diejenige Störmode, die zu der Translationsbewegung in eine Richtung senkrecht zur Drehachse und parallel zur Haupterstreckungsebene gehört, und diejenige Störmode, die zu der Rotationsbewegung um eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Achse gehört. Gleichzeit wird durch Verwendung von erster und zweiter Feder aber auch dafür gesorgt, dass die Auslenkung (der seismischen Masse im Sinne der Kippbewegung) in Detektionsrichtung für die seismische Masse lediglich geringfügig eingeschränkt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass mindestens ein Teil der ersten Feder an einer Stelle mit der seismische Masse verbunden ist, durch die die parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehachse verläuft bzw. entlang der sich diese Drehachse erstreckt. Substratverbiegungen aufgrund von Gehäusestress führen dann nur zu geringfügigen Verkippungen der seismischen Masse, und es kommt in vorteilhafter Weise zu kleineren Fehlersignalen, die durch den Gehäusestress verursacht werden. Die vorteilhafte Wirkung auf das in-plane-Clipping bleibt dabei erhalten, d. h. das in-plane-Clipping wird verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die seismische Masse eine Aussparung und/oder eine weitere Aussparung aufweist, in welcher die erste Feder und/oder die zweite Feder angeordnet sind. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die zweite Feder so anzuordnen, dass sie die seismische Masse mit dem Substrat möglichst nah an der Drehachse verbindet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein möglichst kurzer Hebelarm realisiert, wobei sich der Hebelarm auf den Abstand zwischen der zweiten Feder und der Drehachse bezieht und die Kippbewegung der dazugehörigen Hebelbewegung entspricht. Diese Positionierung der zweiten Feder mit einem verkürzten Hebelarm hat den Vorteil, dass die Steifigkeit der zweiten Feder (bei einer Auslenkung im Sinne der Kippbewegung in Detektionsrichtung) die Kippbewegung weniger beeinflusst im Vergleich zu einer Position, bei der der gleichen zweiten Feder ein größerer Hebelarm zugeordnet wird (insbesondere dann, wenn die zweite Feder am äußersten Rand der seismischen Masse platziert wird).
Werden sowohl erste als auch zweite Feder innerhalb der Aussparungen angeordnet, wird in vorteilhafter Weise ein Beschleunigungssensor realisiert, der besonders kompakt ist.
Eine Möglichkeit, die erste Feder und/oder die zweite Feder so auszugestalten, dass ihre Steifigkeit bei einer Belastung bzw. Auslenkung entlang der Detektionsrichtung hinreichend klein ist, besteht darin, die erste und/oder die zweite Feder stärker zu mäandrieren. Dadurch sinkt zwar auch die Steifigkeit in Primär- bzw. Sekundärrichtung, jedoch bleibt sie erfindungsgemäß weit oberhalb der Steifigkeit in Detektionsrichtung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs oder gemäß dem Hauptanspruch, wobei es vorgesehen ist, dass die Federeinrichtung mindestens ein Bauteil umfasst, dessen Haupterstreckungsrichtung senkrecht zur parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Drehachse verläuft, wobei die Steifigkeit des Bauteils bei Auslenkung im Sinne der Kippbewegung in Detektionsrichtung kleiner ist als die Steifigkeit des Bauteils bei einer Auslenkung in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Primärrichtung und/oder bei Auslenkung in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Sekundärrichtung. Dabei ist es vorgesehen, dass das Bauteil die Wirkung einer ersten bzw. einer zweiten Feder unterstützt bzw. ersetzt. Die Wirkung der ersten Feder besteht darin, ein in-plane-Clipping entlang der Primärrichtung zu reduzieren, während die Wirkung der zweiten Feder darin besteht, das in-plane-Clipping entlang der Sekundärrichtung zu reduzieren.
In einer weiteren Ausführungsform ersetzt das Bauteil der Federeinrichtung die erste und/oder die zweite Feder, wodurch in vorteilhafter Weise ein möglichst kompakter Beschleunigungssensor zu Verfügung gestellt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass mindestens ein Teil der Federeinrichtung und/oder zumindest ein Teil der ersten Feder und/oder zumindest ein Teil der zweiten Feder Bestandteil einer strukturierbaren Zwischenschicht ist, wobei die strukturierbare Zwischenschicht zwischen Substrat und seismische Masse angeordnet ist.
Insbesondere lassen sich mit Hilfe der Zwischenschicht Blattfedern zwischen Substrat und seismischer Masse anordnen. Die Blattfeder ist dabei so angeordnet, dass ihre breiteste Seite parallel zur Haupterstreckungsebene des Beschleunigungssensors verläuft, wobei die breiteste Seite der Blattfeder entlang ihrer Erstreckung nicht konstant sein muss. Vielmehr ist es vorstellbar, dass die Projektion der Blattfeder auf eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Ebene dreieck- oder trapezförmig ist.
Insbesondere ist es vorgesehen, die Blattfedern derart auszugestalten, dass eine Bewegung der seismischen Masse in Detektionsrichtung, die nicht im Sinne der Kippbewegung erfolgt, zu unterdrücken. Dabei sind insbesondere solche Bewegungen gemeint, bei denen die gesamte seismische Masse parallel zur Haupterstreckungsebene versetzt wird, wenn sie eine Beschleunigung in Detektionsrichtung erfährt. Dadurch lässt sich in vorteilhafter Weise die Störempfindlichkeit des Beschleunigungssensors weiter reduzieren.
Insbesondere kann zumindest ein Teil der ersten Feder und/oder ein Teil der zweiten Feder und/oder ein Teil des Bauteils der Federeinrichtung in Detektionsrichtung unterhalb der seismischen Masse und oberhalb des Substrats angeordnet werden. Als Resultat solcher Positionierungsmaßnahmen kann in vorteilhafter Weise Platz gespart werden und damit ein möglichst kompakter Beschleunigungssensor zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere ist es möglich, dass auf eine erste und oder zweite Aussparung verzichtet wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Gesamtmasse der seismischen Masse im Wesentlichen nicht reduziert werden muss, eine Eigenfrequenz für eine Nutz-Mode (Nutzungsfrequenz für die Kippbewegung) daher möglichst niedrig gehalten werden kann und damit die Unterdrückung von Störbeschleunigungen erleichtert wird. Alternativ wäre es auch möglich, oberhalb der ersten Feder und/oder der zweiten Feder in vorteilhafter Weise laterale Dämpfungsfinger und/oder feste mechanische Anschläge und/oder federnde mechanische Anschläge zu realisieren.
In alternativen Ausführungsformen umfasst der Beschleunigungssensor mehrere erste und/oder mehrere zweite Federn und/oder mehrerer Bauteile der Federeinrichtung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
Es zeigen
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors,
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors,
3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors,
4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors,
5 zeigt eine Seitenansicht der vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors,
6 zeigt eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors,
7 zeigt eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
8 zeigt eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors und
9 zeigt eine Seitenansicht der siebten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors,
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung:
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors 1. Der eine Haupterstreckungsebene aufweisende Beschleunigungssensor 1 umfasst ein Substrat 2 und eine seismische Masse 3. Die seismische Masse 3 ist über eine Federeinrichtung 4, vorzugsweise über eine oder mehrere Torsionsfedern, mit dem Substrat 2 verbunden. Die Federeinrichtung 4 ist so angeordnet, dass bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Richtung die seismische Masse 3 um eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehachse im Sinne einer Kippbewegung auslenkbar ist. Darüber hinaus ist es üblicherweise vorgesehen, dass die Federeinrichtung 4 die seismische Masse 3 wieder in eine Ruheposition überführt, wenn keine Beschleunigung auf die seismische Masse 3 wirkt. In der Ruheposition ist die seismische Masse 3 im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene des Beschleunigungssensors 1 angeordnet. Grund für eine Wippenbewegung, d. h. eine Auslenkung im Sinne einer Kippbewegung um die Drehachse, ist die Tatsache, dass der Verlauf der Federeinrichtung D die seismische Masse 3 in zwei Abschnitte mit ungleichen Teilmassen aufteilt. In 1 erstreckt sich die kleinere der beiden ungleichen Teilmassen links vom Verlauf der Federeinrichtung D und die größere der beiden ungleichen Teilmassen rechts vom Verlauf der Federeinrichtung D. Bei einer Beschleunigung erfahren die ungleichen Teilmassen verschiedene Trägheitskräfte, wodurch eine Kipp- bzw. Wippenbewegung die ungleichen Teilmasse parallel zu einer Detektionsrichtung in zueinander entgegengesetzte Richtungen bewegt. Die Detektionsrichtung verläuft dabei senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Beschleunigungssensors. In der Regel sind im Substrat 2 Elektroden angeordnet, mit denen die seismische Masse 3 einen Plattenkondensator bildet. Eine Bewegung der seismischen Masse 3 entlang der Detektionsrichtung ändert dann die Kapazität des Plattenkondensators und kann daher Aufschluss geben über die Stärke der Beschleunigung.
Erfindungsgemäß verfügt der Beschleunigungssensor 1 über ein Paar erster Federn 11, das auf gegenüberliegenden Seiten (von der seismischen Masse 3) die seismische Masse 3 mit dem Substrat 2 verbinden. Die ersten Federn 11 zeichnen sich dadurch aus, dass einerseits ihre Steifigkeit, vorzugsweise Biegesteifigkeit, bei einer Belastung, insbesondere bei einer Auslenkung im Sinne einer Kippbewegung, entlang der Detektionsrichtung klein ist, und andererseits ihre Steifigkeit, vorzugsweise Dehnsteifigkeit, bei einer Belastung, entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Primärrichtung P groß ist. Mit anderen Worten: Die erste Feder ist so ausgestaltet, dass sie einerseits die Kippbewegung der seismischen Masse in Detektionsrichtung nicht so sehr hemmt wie andererseits eine erste Lateralbewegung, d. h. die Bewegung der seismischen Masse in Primärrichtung P. Dadurch kann das Paar erster Federn eine Rotationsbewegung der seismischen Masse um eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Achse unterdrücken und dadurch auf vorteilhafterweise ein in Plane-Clipping reduzieren.
Darüber hinaus verfügt der Beschleunigungssensor 1 aus 1 über ein Paar zweiter Federn 12, die nebeneinander angeordnet (parallel zum Verlauf der Federeinrichtung D) die seismische Masse 3 mit dem Substrat 2 verbinden. Die zweiten Federn 11 zeichnen sich dadurch aus, dass einerseits ihre Steifigkeit, vorzugsweise Biegesteifigkeit, bei einer Belastung entlang der Detektionsrichtung klein ist, und andererseits ihre Steifigkeit, vorzugsweise Dehnsteifigkeit, bei einer Belastung entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Sekundärrichtung S groß ist. Mit anderen Worten: Die zweite Feder ist so ausgestaltet, dass sie einerseits die Wippenbewegung der seismischen Masse in Detektionsrichtung nicht so sehr hemmt wie andererseits eine zweite Lateralbewegung, d. h. die Bewegung der seismischen Masse in Sekundärrichtung S. Dadurch kann das Paar zweiter Federn eine Translationsbewegung der seismischen Masse in einer senkrecht zum Verlauf der Federeinrichtung verlaufende Richtung unterdrücken und dadurch auf vorteilhafte Weise das in-plane-Clipping weiter verbessern.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass in der dargestellten Ausführungsform der Massenschwerpunkt der seismischen Masse und die Drehachse, um die die Kippbewegung erfolgen kann, im Wesentlichen auf einer Höhe liegen. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein solcher Beschleunigungssensor in der Regel nicht störempfindlich ist gegenüber Beschleunigungen, die senkrecht zum Verlauf der Federeinrichtung D und parallel zur Haupterstreckungsebene erfolgen.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die erste Feder in Primärrichtung und/oder die zweite Feder in Sekundärrichtung stärker mäandriert werden als es in 1 dargestellt ist, wodurch die Steifigkeit der ersten Feder und/oder der zweiten Feder bei einer Belastung entlang der Detektionsrichtung reduziert wird. Dies gilt auch für alle anderen ersten und/oder zweiten Federn, die in den folgenden Ausführungsformen dargestellt sind.
Die in den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsform für erfindungsgemäße Beschleunigungssensoren weisen im Wesentlichen dieselben Merkmale auf wie der Beschleunigungssensor gemäß der ersten Ausführungsform bzw. gemäß jeweils einer vorhergenannten Ausführungsform. Deshalb wird die Beschreibung der Teile vermieden oder vereinfacht, die bereits in 1 bzw. in einer vorhergenannten Ausführungsform beschrieben wurden. Insbesondere werden im Wesentlichen die Unterschiede zu vorangegangenen Ausführungsformen hervorgehoben.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors gezeigt, wobei sich der vorliegende Beschleunigungssensor durch die Positionierung des ersten Paares Federn 11 bzw. der zweiten Paares Federn 12 bzgl. der seismischen Masse 3 von der Ausführungsform aus 1 unterscheidet. Es ist dabei vorgesehen, dass (zumindest) eine erste Feder 11 in dem Bereich der seismischen Masse angeordnet ist, über den sich auch der Verlauf der Federrichtung D erstreckt. Dadurch wird das Paar erster Federn 11 in unmittelbare Nähe zur Drehachse angeordnet. Erfahrungsgemäß werden dadurch Substratverbiegungen aufgrund von Gehäusestress weniger stark auf die seismische Masse 3 übertragen und es kommt in vorteilhafter Weise zu kleineren Fehlersignalen, die durch den Gehäusestress verursacht werden. Die vorteilhafte Wirkung auf das in-plane-Clipping bleibt erhalten.
Darüber hinaus weist die seismische Masse eine Aussparung 5 entlang der Detektionsrichtung auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Paar zweiter Federn 12 in dieser Aussparung angeordnet. Dadurch rückt das Paar zweiter Federn 12 näher an die Drehachse, wodurch ein Hebelarm für eine Kippbewegung der seismischen Masse um die Drehachse kürzer wird (im Vergleich zur Positionierung aus 1). Damit ist es in vorteilhafter Weise nicht erforderlich, die Steifigkeit der zweiten Feder 12 (bzw. des Paares zweiter Federn) bei Belastung in Detektionsrichtung so sehr zu reduzieren, wie es nötig wäre, wenn die zweite Feder 12 an der von der Drehachse am weitesten entfernten Stelle an die seismische Masse angebunden wäre. Die vorteilhafte Wirkung auf das in-plane-Clipping bleibt erhalten.
In 3 ist eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors dargestellt. In dieser Ausführungsform wird im Vergleich zur Ausführungsform aus 2 das Paar erster Federn 11 jeweils durch eine Einfach-Balkenfeder 11, wobei die beiden Einfach-Balkenfedern in einer weiteren Aussparung 8 angeordnet sind, die sich senkrecht zum Verlauf der Federeinrichtung D erstreckt. Dabei liegen sie sich jedoch nicht mehr gegenüber, sondern liegen gemeinsam in einer Linie parallel zur Sekundärrichtung S. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, besonders kompakt zu sein, insbesondere im Vergleich zu den Ausführungsformen aus 1 und 2. Die vorteilhafte Wirkung auf das in-plane-Clipping bleibt erhalten.
In 4 ist eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors gezeigt. Es bleiben die Positionen für das Paar erster Federn 11‘ und das Paar zweiter Federn 12 bestehen, die aus der Ausführungsform aus 3 bekannt sind. Das Paar erster Federn 11‘ und das Paar zweiter Federn 12 unterscheidet sich von denen aus 3 dadurch, dass sie Teil einer Zwischenschicht sind, wobei die Zwischenschicht zwischen Substrat 2 und seismischer Masse 3 angeordnet ist. Vorzugsweise handelt es sich in dieser Ausführungsform bei den ersten und/oder zweiten Federn 11‘ um Blattfedern. Dabei ist die Zwischenschicht ungefähr um einen Faktor 2–15 dünner als die seismische Masse. Dadurch können in vorteilhafte Weise Blattfedern zwischen Substrat und seismische Masse angeordnet werden, deren Steifigkeit bei Belastung in Detektionsrichtung über die Dicke der Zwischenschicht kontrolliert werden kann.
In 5 ist eine Seitenansicht eines Beschleunigungssensors gemäß der vierten Ausführungsform entlang der Schnittebene A-B gezeigt. In dieser Darstellung lässt sich erkennen, dass der Schwerpunkt der seismischen Masse 3 und die Drehachse (für die Kippbewegung) nicht auf einer Höhe liegen. Dadurch weist der Beschleunigungssensor 1 in dieser Ausführungsform eine gewisse Anfälligkeit gegenüber senkrecht zur Drehachse verlaufende Beschleunigungen auf. Die Störempfindlichkeit ist jedoch in vorteilhafter Weise gering im Vergleich zu der von aus dem Stand der Technik bekannten Beschleunigungssensoren, weil die erste Feder 11‘ in der vorliegenden Ausführungsform anders belastet wird als die Feder mit dem T-förmigen Querschnitt, insbesondere weil eher eine Translation als eine Torsion stattfindet.
In 6 ist eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors dargestellt. Die fünfte Ausführungsform unterscheidet sich von der aus der 4 bzw. 5 dadurch, dass der parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Querschnitt der Feder größer ist als der Querschnitt der Feder aus 4, insbesondere erstreckt sich die erste Feder über eine größere Strecke entlang der Primärrichtung, d.h. die Breite der Blattfedern wird vergrößert. Dadurch wird die Steifigkeit des Paares erster Federn bei Belastung sowohl entlang der Primär- als auch entlang der Sekundärrichtung soweit erhöht, dass auf das zweite Paar in vorteilhafter Weise verzichtet und trotzdem die Verbesserung des in-plane-Clippings sichergestellt werden kann.
In 7 ist eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors dargestellt. Im Vergleich zu der Ausführungsform aus 6 wird bei diesem Beschleunigungssensor auf die Federeinrichtung 4 und die Aussparung 5 verzichtet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, einen besonders kompakten Beschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen.
In 8 ist eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors dargestellt. Im Vergleich zu der Ausführungsform aus 6 wird bei dem Beschleunigungssensor 1 auf die weitere Aussparung 8 verzichtet, d.h. die seismische Masse 3 erstreckt sich teilweise entlang der Detektionsrichtung oberhalb des Paares erster Federn 11‘. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Gesamtmasse der seismischen Masse im Wesentlichen nicht reduziert werden muss, eine Eigenfrequenz für eine Nutz-Mode (Nutzungsfrequenz für die Wippenbewegung) daher möglichst niedrig gehalten werden kann und damit die Unterdrückung von Störbeschleunigungen erleichtert wird. Alternativ wäre es auch möglich, oberhalb des Paares erster Federn in vorteilhafter Wiese laterale Dämpfungsfinger und/oder feste mechanische Anschläge und/oder federnde mechanische Anschläge zu realisieren.
In 9 ist eine Seitenansicht des Beschleunigungssensors 1 gemäß der siebten Ausführungsform entlang der Schnittebene A-B dargestellt. Es sind Biegefedern zu erkennen, die durch Strukturierung der Zwischenschicht entstanden sind und die an ihren jeweils äußeren Enden direkt mit der seismischen Masse 3 verbunden sind. Technisch wird die Verbindung über eine lokale Öffnung einer Oxidschicht zwischen seismischer Masse 3 und der Zwischenschicht realisiert, wobei die seismische Masse direkt auf der Zwischenschicht abgeschieden wird. Aus den Bereichen, in denen die seismische Masse und der Zwischenschicht nicht miteinander verbunden sind, wird das Oxid in einem späteren Herstellungsschritt, vorzugsweise beim Gasphasenätzen, entfernt, wodurch ein Spalt 15 zwischen Zwischenschicht und seismischer Masse 3 entsteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0244581 [0002]
EP 0773443 B1 [0002]

Claims

Beschleunigungssensor (1) mit einem Substrat (2) und einer seismischen Masse (3), wobei der Beschleunigungssensor (1) eine Haupterstreckungsebene aufweist und eine Federeinrichtung (4) umfasst, über die das Substrat (2) und die seismische Masse (3) derart verbunden sind, dass die seismische Masse (3) bei einer Beschleunigung in eine senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufende Detektionsrichtung um eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehachse im Sinne einer Kippbewegung auslenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (3) darüber hinaus über mindestens eine erste Feder (11) mit dem Substrat (2) verbunden ist, wobei die Steifigkeit der ersten Feder (11) bei einer Auslenkung der seismische Masse (3) im Sinne der Kippbewegung in Detektionsrichtung kleiner ist als die Steifigkeit der ersten Feder (11) bei einer Auslenkung in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Primärrichtung (P).
Beschleunigungssensor (1) gemäß Anspruch 1 oder dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (4) mindestens ein Bauteil umfasst, dessen Haupterstreckungsrichtung senkrecht zur parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Drehachse verläuft, wobei die Steifigkeit des Bauteils bei einer Auslenkung im Sinne der Kippbewegung in Detektionsrichtung kleiner ist als die Steifigkeit des Bauteils bei einer Auslenkung in eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Primärrichtung (P) und/oder bei einer Auslenkung in eine parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Sekundärrichtung (S).
Beschleunigungssensor (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (3) darüber hinaus über mindestens eine zweite Feder (12) mit dem Substrat verbunden ist, deren Steifigkeit bei einer Auslenkung der seismischen Masse (3) in Detektionsrichtung kleiner ist als deren Steifigkeit bei einer Auslenkung in einer parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Sekundärrichtung (S), wobei die Primärrichtung (P) und die Sekundärrichtung (S) senkrecht zueinander verlaufen.
Beschleunigungssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der ersten Feder (11) an einer Stelle mit der seismischen Masse (3) verbunden ist, durch die sich die parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufende Drehachse erstreckt.
Beschleunigungssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die seismische Masse (3) eine Aussparung (5) und/oder eine weitere Aussparung (6) aufweist, in welcher die erste Feder (11) und/oder die zweite Feder (12) angeordnet sind.
Beschleunigungssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Federeinrichtung (4) und/oder zumindest ein Teil der ersten Feder (11) und/oder zumindest ein Teil der zweiten Feder (12) Bestandteil einer oder mehrerer strukturierbarer Zwischenschichten sind, wobei die eine oder die mehreren strukurierbaren Zwischenschichten zwischen Substrat (2) und seismischer Masse (3) angeordnet sind.
Beschleunigungssensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die seismische Masse (3) zumindest teilweise in Detektionsrichtung oberhalb der ersten Feder (11‘) und/oder der zweiten Feder (12‘) erstreckt.