DE10038761A1 - Beschleunigungssensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen mikromechanischen Beschleunigungssensor 1 mit mindestens zwei relativ zueinander beweglich angeordneten, Kapazitäten bildenden und X-Y-Anschläge 2, 2' aufweisenden Sensorstrukturen 3, 3' und einem stirnseitigen Federsystem 4', wobei das Federsystem 4' aus mindestens zwei im Querschnitt geschlossenen Federelementen 4 besteht.

Description

Oberflächenmikromechanische Beschleunigungssensoren finden seit einigen Jahren vielfältig Anwendung im Kfz-Bereich für Airbag-Systeme, Fahrdynamikregelungen oder ABS. Von großer Bedeutung beim Einsatz solcher Sensoren in sicherheitsrelevanten Systemen ist die Gewährleistung der Funktionsfähigkeit nach einer mechanischen Überbeanspruchung durch Beschleunigungen oberhalb des Meßbereichs. Ein besonderes technisches Problem bei solchen Sensoren mit horizontaler Detektionsrichtung stellt die Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschleunigungen senkrecht zur Detektionsrichtung dar, die so genannte Fallfestigkeit.

Die Erfindung bezieht sich auf einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit mindestens zwei relativ zueinander beweglich angeordneten, Kapazitäten bildenden und Y-Anschläge aufweisenden Sensorstrukturen und einem stirnseitigen, X-Anschläge aufweisenden Federsystem. Hierbei bilden mindestens zwei Sensorstrukturen mit parallel zueinander angeordneten Flächenteilen einen Kondensator bzw. Kondensatorraum, dessen Kapazität sich bei einer Relativbewegung der beiden Sensorstrukturen ändert. Eine oder mehrere Sensorstrukturen sind auf einem Substrat fixiert, während eine weitere Sensorstruktur beweglich und in Meßrichtung gefedert angeordnet ist. Durch einen Beschleunigungsvorgang des mikromechanischen Beschleunigungssensors kommt es zu einem Versatz der beweglich angeordneten Sensorstruktur und damit zu einer Änderung der Abstände zwischen den Potentialflächen. Die resultierende Änderung der Kapazität wird letztlich in Form eines Spannungssignals zur Auswertung herangezogen.

Es ist bereits ein Beschleunigungssensor bzw. eine Struktur eines Beschleunigungssensors aus der US 5 542 295 bekannt. Bei diesem Beschleunigungssensor sind drei Sensorstrukturen vorgesehen, wobei eine mittlere Sensorstruktur beweglich angeordnet ist. Damit die beweglich angeordnete Sensorstruktur nach dem Beschleunigungsvorgang bzw. der Auslenkbewegung wieder ihre ursprüngliche Position erreicht, sind an beiden Stirnseiten jeweils zwei durch die Sensorstruktur gebildete U-Federn vorgesehen. Gemäß Fig. 2 sind innerhalb der U-Federn Anschläge vorgesehen, die eine mögliche Auslenkbewegung der beweglich angeordneten Sensorstruktur auf zwei Drittel des Abstands zwischen den Potentialflächen begrenzen. Kommt es nun während einer Beschleunigung in X- und/oder Y-Richtung gleichzeitig zu einer Beschleunigung des Sensors in Z-Richtung, also senkrecht zur Bildebene, so ist es möglich, daß die Anschläge oberhalb oder unterhalb der Sensorstruktur aufliegen und dort aufgrund der Steifigkeit der Struktur haften bzw. verklemmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikromechanischen Beschleunigungssensor derart auszubilden und anzuordnen, daß die Gefahr einer Verklemmung innerhalb der Struktur vermindert wird.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß das Federsystem aus mindestens zwei im Querschnitt geschlossenen Federelementen besteht. Hierdurch wird erreicht, daß die Auslenkung der beweglichen Sensorstruktur bei einer Beschleunigung in Z-Richtung durch die teleskopartige Verwindung des doppelten Federsystems (siehe Fig. 1; 2b) begrenzt und die entstehende Massekraft abgebaut bzw. aufgenommen wird. Der Randbereich der beweglichen Struktur, gemäß Fig. 2b die rechte Seite, ist fest angeordnet, so dass dieser Randbereich keine Z- Auslenkung bzw. keinen Höhenversatz h aufweist. Über das Federsystem wird der Höhenversatz h der Masse zum Randbereich hin abgebaut. Ein Höhenversatz h in Z-Richtung innerhalb des Federsystems, über die Strukturhöhe hinaus und damit die Gefahr eines mechanischen Verklemmens wird somit vermindert.

Vorteilhaft ist es hierzu, daß das Federelement aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten Schenkeln besteht, die einen in sich geschlossenen, ringförmigen oder kastenförmigen Rahmen bilden bzw. ein jedes Federelement aus einem in sich geschlossenen, kreisförmigen, ovalförmigen oder kastenförmigen Rahmen besteht, der im Querschnitt ebenfalls kreisförmig, ovalförmig oder kastenförmig ausgebildet ist. Somit kann zum einen eine ausreichende Steifigkeit des Federelements in Z-Richtung gewährleistet werden und zum anderen die Federsteifigkeit in X-Richtung entsprechend der Ausbildung bzw. Sensibilität des Sensors definiert werden.

Ferner ist es vorteilhaft, daß innerhalb des Federelements ein oder mehrere symmetrisch angeordnete in X-Richtung wirkende X-Anschläge vorgesehen sind. Die X-Anschläge vermeiden die Gefahr des sog. Sticking, das aufgrund der Potentialunterschiede entstehen kann. Weiterhin vermindern sie die Kontaktfläche im Hinblick auf eine Verklemmung bei einer Beschleunigung in Z-Richtung. Die Auslenkung in Z- Richtung geht im Randbereich gegen Null, denn hier ist die bewegliche Struktur befestigt. Die dort angeordneten X- Anschlägen erfahren demnach nicht die maximale Z-Amplitude, wie z. B. das Zentrum der beweglichen Struktur, so daß ein mechanischen Verklemmen ausgeschlossen ist.

Vorteilhaft ist es auch, daß zwischen einem Abstand a des Anschlags der Schenkel eines Federelements und dem Abstand e der Potentialflächen folgender Zusammenhang gilt:

Somit wird ein Berühren der Potentialflächen bzw. der KQndensatorflächen verhindert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, daß das Federelement anschlagfrei ausgebildet ist oder die Schenkel Anschläge bilden. In diesem Fall ist es von Bedeutung, daß zwischen einem Abstand b der Schenkel eines Federelements und dem Abstand e der Potentialflächen folgender Zusammenhang gilt:

Ein Berühren der Potentialflächen bzw. der Kondensatorflächen wird somit verhindert.

Ferner ist es vorteilhaft, daß weitere Anschläge in Y- Richtung in einem Randbereich des Sensors angeordnet sind. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, daß die Anschläge im Querschnitt keilförmig ausgebildet sind oder eine Fase in Y-Richtung aufweisen. Somit wird im Fall der kritischen Z- Beschleunigung ein Abrutschen der dann gegeneinander verklemmten bzw. aufeinander aufliegenden Anschläge gewährleistet.

Vorteilhaft ist es ferner, daß die Anschläge aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten, parallel verlaufenden, an der Innenfläche der Federelemente angeordneten bzw. verlaufenden Stegen. bestehen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Sensorstruktur von oben mit Doppel-U- Feder,

Fig. 2a eine Schnittdarstellung von der Seite gemäß der Linie A-A im Ruhezustand,

Fig. 2b eine Schnittdarstellung von der Seite gemäß der Linie A-A im Zeitpunkt einer XZ-Beschleunigung.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Beschleunigungssensor bezeichnet. Der Beschleunigungssensor 1 weist zwei Sensorstrukturen 3, 3' auf, die beweglich zueinander angeordnet sind, d. h. eine der Sensorstrukturen ist dabei fest auf einem Substrat und die andere beweglich angeordnet.

Die fest angeordnete Sensorstruktur 3' ist mit einem nicht dargestellten Substrat verbunden und bildet im Wesentlichen den Randbereich der Sensorstruktur. Nach innen zum Zentrum des Sensors hin weist die feste Sensorstruktur 3' zahlreiche in der Schnittdarstellung stabförmige, parallel angeordnete Elektroden 9' auf, die zusammen mit Elektroden 9 der beweglichen Sensorstruktur 3 Kondensatorflächen 13 bzw. Kondensatorzwischenräume 10 bilden. Die Elektroden 9, 9' greifen abwechselnd berührungslos ineinander, so daß entsprechend dem Bauraum ein möglichst großes Potential zwischen ihnen entsteht. Die Kondensatorflächen 13 weisen einen von der Beschleunigung abhängigen, variablen Abstand e untereinander auf.

Im mittleren Bereich der Sensorstruktur ist die bewegliche Sensorstruktur 3 angeordnet. Sie weist neben ihren Elektroden 9 eine Masse 11 und ein Federsystem bzw. verschiedene Federelemente 4 auf.

Die Federelemente 4 sind als Doppel-U-Feder 5 ausgebildet und weisen einen rechteckigen, geschlossenen Querschnitt auf. Hierzu sind die Schenkel einer U-Feder mit denen der benachbarten U-Feder verbunden. Es sind zwei derartige Doppel-U-Federn 5 nebeneinander bzw. parallel angeordnet bzw. vorgesehen, die im mittleren Bereich über zwei senkrecht dazu, parallel verlaufende Stege 12 verbunden sind. Neben diesen Stegen weist die jeweilige Doppel-U- Feder 5 in X-Richtung wirkende X-Anschläge 2 auf, die eine Bewegung der Schenkel 6 in X-Richtung begrenzen. Die X- Anschläge 2 sind rechteckförmig ausgebildet und weisen zueinander in X-Richtung einen Abstand a auf.

Die Masse 11 ist gemäß Fig. 1 an ihren beiden Stirnseiten mit in Y-Richtung wirkenden Y-Anschlägen 2' ausgestattet, die eine Bewegung in Y-Richtung begrenzen. Hierzu sind an der festen Sensorsttuktur 3' im Randbereich des Sensors 1 zugeordnete Y-Anschläge 2' vorgesehen.

In der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2a ist in der oberen Abbildung die Ruhelage des Sensors 1 dargestellt. Die X- Anschläge 2 der Doppel-U-Feder 5, 5' weisen hierbei den Abstand a auf.

In der unteren Abbildung (Fig. 2b) ist ein Versatz h der beweglichen Sensorstruktur 3 dargestellt, der aufgrund einer Beschleunigung des Sensors in X- und in Z-Richtung, also senkrecht zur Bildebene gemäß Fig. 1, erfolgt. Der Abstand a der X-Anschläge 2 ist aufgrund der Beschleunigung des Sensors in X-Richtung reduziert, so daß es zwischen den Anschläge 2 zu keiner Berührung kommt. Die Beschleunigung in Z-Richtung hat eine Verformung bzw. Verwindung der Doppel-U-Feder 5, 5' zur Folge, so daß es hierdurch zu einem Höhenversatz h zwischen beweglicher und fester Sensorstruktur 3, 3' in Z-Richtung kommt. Aufgrund von zwei nebeneinander angeordneten Doppel-U-Federn 5, 5' wird der Höhenversatz h innerhalb der Sensorstruktur 3 bzw. innerhalb der Federstruktur stufenartig abgebaut. Da die Doppel-U-Federn 5, 5' am Randbereich, also zur festen Struktur hin angeordnet sind, wird der Höhenversatz h dort gegen Null hin auslaufen. Ein Höhenversatz h zwischen direkt benachbarten Teilen der Doppel-U-Feder 5, 5', der zu einer Überlappung führen könnte, d. h. ein Versatz in der Höhe des Profils, ist somit an dieser Stelle ausgeschlossen.

Claims (9)

1. Mikromechanischer Beschleunigungssensor (1) mit mindestens zwei relativ zueinander beweglich angeordneten, Kapazitäten bildenden und X-Y- Anschläge (2, 2') aufweisenden Sensorstrukturen (3, 3') und einem stirnseitigen, X-Anschläge aufweisenden Federsystem (4'), dadurch gekennzeichnet, daß das Federsystem (4') aus mindestens zwei im Querschnitt geschlossenen Federelementen (4) besteht.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (4) aus zumindest zwei mit Abstand zueinander angeordneten Schenkeln (6) besteht, die in sich einen geschlossenen, ringförmigen oder kastenförmigen Rahmen bilden.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Federelements (4) ein oder mehrere in X-Richtung wirkende X-Anschläge vorgesehen sind.

4. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Abstand a des Anschlags (2) der Schenkel (6) eines Federelements (4) und dem Abstand e der Potentialflächen (7) folgender Zusammenhang gilt:

5. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (4) anschlagfrei ausgebildet ist oder die Schenkel (6) Anschläge bilden.

6. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Abstand b der Schenkel (6) eines Federelements (4) und dem Abstand e der Potentialflächen (7) folgender Zusammenhang gilt:

7. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die X-Anschläge (2) im Querschnitt keilförmig ausgebildet sind oder eine Fase in Y-Richtung aufweisen.

8. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (2, 2') aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten, parallel verlaufenden, an der Innenfläche der Federelemente (4) angeordneten Stegen bestehen.

9. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein jedes Federelement (4) aus einem in sich geschlossenen, kreisförmigen, ovalförmigen oder kastenförmigen Rahmen besteht, der im Querschnitt ebenfalls kreisförmig, ovalförmig oder kastenförmig ausgebildet ist.