DE102013208699A1

DE102013208699A1 - Feder für eine mikromechanische Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102013208699A1
Application number: DE102013208699.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Heitz; Christoph Gauger; Rolf Scheben
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2013-05-13
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-05-14
Also published as: DE102013208699B4

Abstract

Feder (100) für eine mikromechanische Sensorvorrichtung, aufweisend: – zwei Federschenkel (10), die in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind, und – einen Verbindungsbereich (20), wobei die beiden Federschenkel (10) durch den Verbindungsbereich (20) miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Feder für eine mikromechanische Sensorvorrichtung.
Stand der Technik
Einen wesentlichen Bestandteil von mikromechanischen Inertialsensoren (beispielsweise Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren) stellen so genannte Biegefedern dar, durch die für die Sensorfunktionalität erforderliche Auslenkungen von physikalischen Massestrukturen der Sensoren ermöglicht werden. Die genannten Federn können unerwünschte Störmoden erzeugen, die sich nachteilig auf Betriebseigenschaften der Sensoren auswirken können.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Feder für eine mikromechanische Sensorvorrichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Feder für eine mikromechanische Sensorvorrichtung, aufweisend:

– zwei Federschenkel, die in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind, und
– einen Verbindungsbereich,
– wobei die beiden Federschenkel durch den Verbindungsbereich miteinander verbunden sind.

Vorteilhaft liegen durch das erfindungsgemäße spezifische Federdesign Eigenmoden der erfindungsgemäßen Feder wesentlich höher als bei bekannten Federstrukturen, weil die Frequenzen der genannten Moden in andere Bereiche verschoben sind. Vorteilhaft liegen diese Frequenzen in weniger störenden Frequenzbereichen.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Feder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder sieht vor, dass der Verbindungsbereich wenigstens eine kurvig begrenzte Ausnehmung auf, die zur Öffnung des Winkels hin ausgerichtet ist. Vorteilhaft kann auf diese Weise ein Bruchrisiko der Feder bedeutend verringert sein.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich eine Breite aufweist, die im Wesentlichen einer doppelten Breite der Federschenkel entspricht. Auf diese Weise kann sich der Verbindungsbereich erschwert durchbiegen, womit eine intrinsische Versteifung der gesamten Federstruktur realisiert ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder zeichnet sich dadurch aus, dass der Verbindungsbereich wenigstens teilweise eine Wabenstruktur aufweist. Damit können in der erfindungsgemäßen Feder vorteilhaft bewährte und bekannte Konzepte für den Verbindungsbereich realisiert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder zeichnet sich dadurch aus, dass die Feder derart dimensioniert ist, dass Moden der Feder entfernt von Moden von Strukturen der Sensorvorrichtung liegen. Dadurch kann ein Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Feder derart ausgebildet sein, dass weitere Störanregungen vorteilhaft minimiert sind. Auf diese Weise wird ein modenoptimiertes Federdesign realisiert, welches die Betriebseigenschaften der Sensorvorrichtung möglichst wenig beeinflusst.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder zeichnet sich dadurch aus, dass die Feder derart dimensioniert ist, dass bei deren Auslenkung eine möglichst lineare Kraftverteilung innerhalb der Feder erreicht wird. Auf diese Art und Weise kann ein weitestgehend regulärer Normalbetrieb der Feder gewährleistet bleiben.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder zeichnet sich dadurch aus, dass die Federschenkel im Wesentlichen gerade ausgebildet sind. Auf diese Weise wird eine einfach zu bildende geometrische Form realisiert, die sehr günstige Betriebseigenschaften aufweist.
Weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder zeichnen sich dadurch aus, dass die Federschenkel kurvige Abschnitte aufweisen oder mäanderartig ausgebildet sind oder dass die Federschenkel im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind. Auf diese Weise können alternative Formen gebildet werden, die an die räumliche Gegebenheiten und sonstige Erfordernisse der Sensorvorrichtung bestmöglich angepasst sind und dadurch sehr günstige Betriebseigenschaften aufweisen.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren dienen vor allem der prinzipiellen Erläuterung der Erfindung und sind daher nicht dazu gedacht, dass ihnen geometrische Abmessungen oder Relationen entnommen werden können.
In den Figuren zeigt:
1 mehrere Federn gemäß Stand der Technik;
2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Feder; und
3 eine prinzipielle Darstellung des Wirkprinzips einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in vier Abbildungen a) bis d) mehrere Arten von herkömmlichen Federdesigns für mikromechanische Inertialsensoren. Man erkennt, dass alle Federn wenigstens zwei lange, im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Federschenkel 10 aufweisen. Ein Verbindungsbereich der Federschenkel 10 kann durch zusätzliche Querverbindungen noch verstärkt werden. Die zwei langen Federschenkel 10 können noch durch weitere lange Federschenkel 10 ergänzt werden (1c und 1d), sodass insgesamt eine gewünschte Federsteifigkeit erreicht wird. Die gezeigten herkömmlichen Biegefedern werden in der Regel als U-Federn bezeichnet. Sie können aufgrund der Tatsache, dass Federenden unerwünscht stark ausgelenkt werden, in Sensorvorrichtungen unerwünschte Störmoden erzeugen, was sich oftmals nachteilig auf ein Betriebs- bzw. Sensierverhalten der Sensorvorrichtung auswirkt.
Dies wird durch so genannte höhere Moden der Federn bewirkt, wobei auch noch Mischformen möglich sind, bei denen sich nur die Federenden bewegen, die sich mit einer Bewegung, in der sich die gesamte Masse bewegt, überlagern und damit die Feder auf unerwünschte Art und Weisen belasten. Auf diese Weise kann es unter ungünstigen Bedingungen zu einer Überlagerung der genannten Bewegungen kommen, die das gesamte mechanische Verhalten derart ändern, dass eine eigentlich geradlinige Bewegung behindert wird.
Fallen die genannten Störmoden mit Frequenzen zusammen, bei denen von einer Auswerteschaltung (nicht dargestellt) Spannungs- und damit Kraftpulse erzeugt werden (insbesondere bei ganzzahligen Vielfachen der Arbeitsfrequenz des Sensors), so können diese Störmoden durch die Auswerteschaltung angeregt werden. Hierdurch kann es nachteilig zu Sensor-Fehlsignalen kommen.
2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feder 100. Man erkennt, dass die erfindungsgemäße Feder 100 zwei Federschenkel 10 aufweist, die in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet („V-Feder“) und mittels eines Verbindungsbereichs 20 miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ergibt sich eine Art V-förmige oder dreiecksförmige Struktur. Vorzugsweise ist eine Breite des Verbindungsbereich 20 kurz ausgebildet, wobei eine Breite B des Verbindungsbereichs 20 beispielsweise im Wesentlichen doppelt so breit wie eine Breite B der Federschenkel 10 ist. Vorzugsweise weist der Verbindungsbereich 20 einen Abschnitt mit einer Krümmung mit einem definierten Radius bzw. einer kurvig begrenzten Ausnehmung auf, die zur Öffnung des Winkels hin ausgerichtet ist. Dadurch können dadurch mechanische Kerbspannungen reduziert und dadurch eine Bruchgefahr für die Feder 100 vorteilhaft stark verringert sein. Denkbar ist natürlich auch, den Verbindungsbereich 20 wenigstens teilweise mit den in den 1a bis 1d gezeigten bewährten wabenartigen Strukturen des Stands der Technik zu versehen.
Vorteilhafterweise macht das Grundmaterial Silizium, aus denen die erfindungsgemäße Federn ausgebildet ist, Längenänderungen kaum mit. Das bewirkt eine vorteilhaft große Steifigkeit der Feder 100. Aufgrund der großen Steifigkeit sind Bewegungen der Feder 100 kleiner und treten erst bei höheren Anregungsfrequenzen auf. Eine Dimensionierung der Abmessungen der Feder 100 erfolgt vorzugsweise mittels bekannter Finite-Elemente- bzw. Simulationsmethoden.
Dabei ist eine Dimensionierung des Winkels der Feder 100 derart, dass die Feder eine betriebsgemäße Funktion als Feder erfüllen kann, wobei insbesondere die mittels der Feder 100 bewegten Massen der Sensorstruktur berücksichtigt werden. Konstruktive Abwandlungen können vorsehen, dass die Federschenkel 10 in sich gekrümmte Abschnitte, mäandrische oder sonstige geometrische Verformungen aufweisen (nicht dargestellt). Die in 2 dargestellte besonders bevorzugte Ausführungsform weist im Wesentlichen zwei gerade Federschenkel 10 auf, wodurch eine einfach zu realisierende Form mit guten Betriebseigenschaften der Feder 100 realisiert wird. Die beiden Federschenkel 10 sind in Betriebsausrichtung der Feder 100 – wie in mikromechanischen Anwendungen üblicherweise vorgesehen – im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet.
Anhand von 3 soll nunmehr das grundlegende Wirkprinzip der erfindungsgemäßen Feder 100 näher erläutert werden.
In der oberen Darstellung von 3 ist eine herkömmliche Feder dargestellt, bei der anhand eines Doppelpfeils in einem Verbindungsbereich 20 ein höherer Modus der Feder 100 dargestellt werden soll, in welchem eine bidirektionale Bewegung des Verbindungsbereichs 20 durchgeführt wird. Unter der Annahme, dass die beiden Schenkelenden der Feder fixiert sind, ist zu erkennen, dass die beiden Federschenkel 10 im Wesentlichen gleichmäßig auf Biegung verformt werden, so dass im Ergebnis ein Biegewiderstand der Feder eher gering ist. Die beiden Federenden werden also im Wesentlichen gleichartig ausgelenkt, d.h. dass die beiden Federenden bei einer Auslenkung des Verbindungsbereichs 20 im Wesentlichen identische Längenänderungen erfahren.
Im Gegensatz dazu wird unter den gleichen Randbedingungen, wie in der unteren Darstellung von 3 dargestellt, der untere Federschenkel 10 der erfindungsgemäßen Feder 100 nur auf Zug beansprucht, während der obere Federschenkel 10 auf Druck belastet, d.h. verkürzt wird. Im Ergebnis resultiert daraus eine Art Blockadewirkung der beiden Federschenkel 10, die eine Bewegung des Verbindungsbereichs 20 insgesamt eher verhindert bzw. wenigstens erschwert.
Auf diese Weise ist vorteilhaft eine größere Steifigkeit der erfindungsgemäßen Feder 100 realisiert. Dadurch kann durch eine geeignete geometrische Auslegung eine Frequenz von potentiell störenden Biegefedermoden zu signifikant höheren Werten geschoben werden. Somit können diese Moden nur noch auf höhere Vielfache der Arbeitsfrequenz des Sensors treffen, bei denen Anregungskräfte im allgemeinen kleiner und damit weniger kritisch sind als bei niedrigen Vielfachen der Arbeitsfrequenz des Sensors.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein vorteilhaftes Design für eine Feder für eine mikromechanische Inertial-Sensorvorrichtung vorgeschlagen, bei der eine Bewegung des Federendes möglichst verhindert werden soll. Dies wird durch die erfindungsgemäße Biegefeder durch eine deutlich erhöhte Frequenz der Federmoden realisiert. Dies geschieht mit dem Ziel, die Frequenz von potentiellen Störmoden der erfindungsgemäßen Feder zu erhöhen, so dass sie in einen Frequenzbereich fallen, in dem potentielle Anregungskräfte kleiner sind.
Vorteilhaft kann das offenbarte modenoptimierte Design bei mikromechanischen Sensoren eingesetzt werden, bei denen es erforderlich ist, eine möglichst hohe Frequenz von potentiellen, durch Biegefedern bewirkten Störmoden zu erreichen. Vorteilhaft können mittels der vorliegenden Erfindung Antriebsbewegungen (z.B. mittels eines elektrostatischen Kammantriebs) für die Feder sauber und definiert ausgeführt werden.
Vorteilhaft werden Bereiche, in denen störende Bewegungen auftreten, in einen anderen Frequenzbereich verschoben und dadurch weitestgehend neutralisiert.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit die Merkmale entsprechend abändern und miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Feder (100) für eine mikromechanische Sensorvorrichtung, aufweisend: – zwei Federschenkel (10), die in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind; und – einen Verbindungsbereich (20); – wobei die beiden Federschenkel (10) durch den Verbindungsbereich (20) miteinander verbunden sind.
Feder (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (20) wenigstens eine kurvig begrenzte Ausnehmung aufweist, die zur Öffnung des Winkels hin ausgerichtet ist.
Feder (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (20) eine Breite aufweist, die im Wesentlichen einer doppelten Breite (B) der Federschenkel (10) entspricht.
Feder (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (20) wenigstens teilweise eine Wabenstruktur aufweist.
Feder (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (100) derart dimensioniert ist, dass Moden der Feder (100) entfernt von Moden von Strukturen der Sensorvorrichtung liegen.
Feder (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (100) derart dimensioniert ist, dass bei deren Auslenkung eine möglichst lineare Kraftverteilung innerhalb der Feder (100) erreicht wird.
Feder(100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federschenkel (10) im Wesentlichen gerade ausgebildet sind.
Feder (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federschenkel (10) kurvige Abschnitte aufweisen.
Feder (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federschenkel (10) mäanderartig ausgebildet sind.
Feder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federschenkel (10) im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind.