DE102016200491B4

DE102016200491B4 - Mikromechanische Feder für einen Inertialsensor

Info

Publication number: DE102016200491B4
Application number: DE102016200491.3A
Authority: DE
Inventors: Stefano Cardanobile
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-01-15
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2024-06-20
Anticipated expiration: 2036-01-16
Also published as: US20190002274A1; US10752493B2; CN108463430B; TWI698393B; DE102016200491A1; WO2017121742A1; TW201725174A; CN108463430A

Abstract

Mikromechanische Feder (10) für einen Inertialsensor, aufweisend:- ein erstes und ein zweites Federelement (1, 2), die zueinander parallel angeordnet und an einem Ankerelement (20) des Inertialsensors verankert sind; und- ein zwischen den beiden Federelementen (1, 2) angeordnetes, am Ankerelement (20) verankertes drittes Federelement (4), das auf beiden Außenseiten eine definierte Anzahl von Noppenelementen (5a...5n) aufweist, die mit zunehmendem Abstand vom Ankerelement (20) von den Federelementen (1, 2) definiert zunehmend beabstandet ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Feder für einen Inertialsensor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für einen Inertialsensor. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Inertialsensor mit wenigstens einer mikromechanischen Feder.
Stand der Technik
Mikromechanische Inertialsensoren (Beschleunigungs- und Drehratensensoren) werden in ihrer Bewegungsfreiheit durch Anschlagselemente eingeschränkt. Eine Aufgabe der Anschlagselemente besteht darin, durch ein Aufbringen einer Verformung auf den Inertialsensor kinetische Energie zu minimieren, die die bewegliche Masse besitzt, wenn sie Festelektroden der Inertialsensoren berührt. Dadurch können Schäden an den genannten Elektroden minimiert werden.
In der Mikromechanik sind zur Erfüllung von spezifischen Messaufgaben nichtlineare Balkenstrukturen bekannt, beispielsweise aus WO 2005/067379 A2 . Dort sind eine Prüfvorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Kraft auf deformierbare mikromechanische Strukturen (MEMS-Strukturen) offenbart. Dabei wird ein auskragender Balken der MEMS-Struktur mit einem freien Ende und einem fixierten Ende gegen einen gekrümmten Abschnitt so lange verbogen, bis der auskragende Balken bricht. Aufgrund einer verbliebenen Restlänge des Balkens kann auf eine Kraft geschlossen werden, die den Bruch des Balkens verursacht hat.
Die Druckschriften DE 101 16 931 A1 und DE 10 2006 012 616 A1 zeigen mikromechanische Vorrichtungen mit gestaffelten Anschlägen. Die Druckschriften DE 10 2011 076 555 A1 , DE 10 2013 208 699 A1 , US 2005/0 229 706 A1 und US 2009/0 242 882 A1 zeigen ebenfalls mikromechanische Vorrichtungen mit federnden Anschlägen.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte mikromechanische Feder für einen Inertialsensor bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer mikromechanischen Feder für einen Inertialsensor aufweisend:

- ein erstes und ein zweites Federelement, die zueinander parallel angeordnet und an einem Ankerelement des Inertialsensors verankert sind; und
- ein zwischen den beiden Federelementen angeordnetes, am Ankerelement verankertes drittes Federelement, das auf beiden Außenseiten eine definierte Anzahl von Noppenelementen aufweist, die mit zunehmendem Abstand vom Ankerelement von den Federelementen definiert zunehmend beabstandet ausgebildet sind.

Auf diese Weise wird in Abhängigkeit von einer Kontaktierung der Noppenelemente mit jeweils einer der parallelen Federelemente eine effektive Länge der Feder verkürzt, wodurch im Ergebnis eine Art von Regelungsmechanismus betreffend Rückstellkraft für die mikromechanische Feder realisiert wird. Im Ergebnis wird dadurch in Abhängigkeit von einer Anzahl der an eines der parallelen Federelemente angeschlagenen Noppenelemente eine Rückstellkraft nichtlinear ausgebildet. Vorteilhaft ist auf diese Weise ein großer Auslegungsspielraum für die mikromechanische Feder unterstützt.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für einen Inertialsensor, aufweisend die Schritte:

- Bereitstellen eines ersten Federelements und eines zweiten Federelements;
- paralleles Verankern des ersten Federelements und des zweiten Federelements an einem Ankerelement des Inertialsensors;
- Bereitstellen eines dritten Federelements und Verankern des dritten Federelements zwischen den beiden Federelementen, wobei auf dem dritten Federelement auf beiden Außenseiten eine definierte Anzahl von Noppenelementen angeordnet wird, die mit zunehmendem Abstand vom Ankerelement mit zunehmendem Abstand von den Federelementen ausgebildet werden.

Bevorzugte Weiterbildungen der mikromechanischen Feder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Feder ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente an ihren Endbereichen mittels eines Verbindungselements miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird eine Art von U-Feder geschaffen, mit der stabile Betriebseigenschaften der mikromechanischen Feder unterstützt sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der mikromechanischen Feder zeichnet sich dadurch aus, dass an Außenseiten der Federelemente beidseitig jeweils wenigstens ein Noppenelement angeordnet ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Anschlagen der seismischen Masse an die mikromechanische Feder besser definiert sein.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren, bzw. unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind insbesondere zur Verdeutlichung der erfindungswesentlichen Prinzipien gedacht und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen.
Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für einen Inertialsensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend die mikromechanische Feder für einen Inertialsensor ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:

1 eine herkömmliche mikromechanische Feder;
2 eine Ausführungsform einer vorgeschlagenen mikromechanischen Feder; und
3 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für einen Inertialsensor.

Beschreibung von Ausführungsformen
Anschlagselemente für Inertialsensoren können als feste oder als federnde Strukturen ausgebildet sein. Federnde Anschlagselemente haben insbesondere folgende zwei Funktionen:

- Sie tragen durch ihre Verformung zum Abbau der kritischen Energie bei, und
- Durch ihre Rückstellkraft können Sie den Sensor aus einem „klebenden“ oder „verhakten“ Zustand wieder lösen.

Eine Schwierigkeit im Design der federnden Anschlagselemente ist ihre richtige Dimensionierung. Ein zu weiches Anschlagselement kann seine Aufgaben nicht erfüllen, denn es kann kaum mechanische Energie aufnehmen und verfügt nur über eine geringe Rückstellkraft. Ein zu hartes Anschlagselement wirkt effektiv als ein fester Anschlag und kann auf diese Weise seine Aufgaben auch nicht erfüllen.
1 zeigt eine Draufsicht auf eine herkömmliche mikromechanische Feder 10 für einen Inertialsensor. Erkennbar ist, dass die Feder 10 im Wesentlichen länglich ausgebildet ist und mittels eines Ankerelements 20 am Inertialsensor verankert bzw. fixiert ist. An der Spitze der Feder 10 ist ein Noppenelement 5a ausgebildet, welches dazu vorgesehen ist, an seismische Massen 30 des Inertialsensors anzuschlagen.
Problematisch bei diesem herkömmlichen Design kann sein, dass nur ein geringer Designspielraum besteht und die Feder 10 für eine ordnungsgemäße Funktionsweise exakt dimensioniert sein muss. Falls die Feder 10 nämlich zu weich ist, kann kaum mechanische Energie aufgenommen werden und es werden nur sehr geringe Rückstellkräfte aktiviert. Falls die Feder 10 zu hart ist, wirkt sie als eine feste Masse, die keinerlei Rückstellkraft auf die seismische Masse 30 aufzubringen vermag. Aus diesem Grund muss die Auslegung der herkömmlichen mikromechanischen Feder 10 genau zwischen diesen beiden Extrema liegen, damit eine wirksame Rückstellkraft generierbar ist.
Vorgeschlagen wird eine mikromechanische Feder 10 mit einem wesentlich größeren Gestaltungsspielraum als die herkömmliche Feder 10 von 1.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer derartigen mikromechanischen Feder 10. Erkennbar ist, dass die Feder 10 ein erstes Federelement 1 und ein zweites Federelement 2 aufweist, die gerade ausgebildet und parallel zueinander angeordnet am Ankerelement 20 des Inertialsensors verankert sind. Die beiden Federelemente 1, 2 werden durch ein Verbindungselement 3 an der Spitze verbunden. In einer alternativen Ausführungsform ist auch denkbar, dass das Verbindungselement 3 weggelassen wird (nicht dargestellt). Zwischen den beiden Federelementen 1, 2 ist ein drittes Federelement 4 angeordnet und am Ankerelement 20 fixiert, welches auf beiden Außenseiten Noppenelemente 5a...5h aufweist, die mit steigendem Abstand vom Ankerelement 20 einen größeren Abstand zu den beiden Federelementen 1, 2 aufweisen.
Auf diese Weise wird erreicht, dass beim Anschlagen der seismischen Masse 30 auf eines der Federelemente 1, 2 zunächst das Noppenelelement 5a mit einem der Federelemente 1, 2 kontaktiert, wodurch die effektive Länge der Feder 10 verringert ist. Mit steigender Kraft der seismischen Masse 30 auf eines der Federelemente 1, 2 werden immer mehr Noppenelemente 5a...5h in Kontakt mit dem Federelement 1, 2 gebracht. Zwischen dem Zeitpunkt, in dem das erste Noppenelement 5a und das vorletzte Noppenelement 5g kontaktiert, wird eine nichtlineare Charakteristik der Federkraft für die Feder 10 realisiert, wobei die mikromechanische Feder 10 dabei zunehmend steifer wird.
In einer weiteren nicht in Figuren dargestellten Ausführungsform der mikromechanischen Feder 10 kann auch vorgesehen sein, dass auf den Außenseiten der Federelemente 1, 2 wenigstens ein Noppenelement 5a... 5n angeordnet ist.
Auf diese Weise kann ein noch besser definiertes Anschlagen der seismischen Masse 30 an das Federelement 1, 2 erfolgen.
Die nichtlineare Charakteristik der Federkraft gilt für folgende Anzahl K von kontaktierten Noppenelementen 5a...5n: $1 < K < n - 1$
mit:

K: Anzahl der kontaktierten Noppenelemente
n: Gesamtzahl der Noppenelemente

Die nichtlineare Federkraft ist größer als die lineare Federkraft und ermöglicht wirksam eine sehr effektive Rückstellkraft der Feder 10, die auf die seismische Masse 30 wirkt. Im Falle, dass auch das letzte Noppenelement 5a...5n kontaktiert, d.h. dass alle Noppenelemente 5a...5n mit dem Federelement 1, 2 kontaktieren, verhält sich die Gesamtstruktur der mikromechanischen Feder 10 wieder mit einer linearen Federcharakteristik. Zu diesem Zweck wird die Anzahl der Noppenelemente 5a...5n geeignet dimensioniert, ebenso wie die Abstände der Noppenelemente 5a...5h untereinander, ebenso wie die Abstände der Noppenelemente 5a... 5n von den Federelementen 1, 2.
Im Ergebnis kann auf diese Weise eine dreistufige Betriebscharakteristik der mikromechanischen Feder 10 erreicht werden:

Niedrige Last: in diesem Fall wirkt nur der weiche Anschlag durch die Federelemente 1, 2. Die mechanische Energie wird hauptsächlich in der seismischen Masse 30 des Sensors abgebaut, wobei das Hooke'sche Gesetz gilt.

Mittlere Last: eine nach der anderen, ausgehend vom Ankerelement 20 kommen die Noppenelemente 5a... 5n in Kontakt mit einem der Federelemente 1, 2, je nach Richtung, aus der der Anschlag der seismischen Masse 30 erfolgt. Dadurch wird das äußere, kontaktierte Federelement 1,2 effektiv und es wächst die Rückstellkraft schneller, als es gemäß dem Hooke'schen Gesetz zu erwarten wäre. Vorzugsweise steigt die Rückstellkraft der mikromechanischen Feder 10 mit steigender Anzahl der angeschlagenen Noppenelemente 5a...5n quadratisch.
Hohe Last: Alle Noppenelemente 5a...5n sind mit dem Federelement 1, 2 in Kontakt. Es wirkt in diesem Fall eine Rückstellkraft des Federelements 4 und eines der Federelemente 1, 2. Im Falle der Ausbildung der mikromechanischen Feder 10 als U-Feder (mit dem Verbindungselement 3) wirken alle drei Federelemente 1, 2, 4. Der Anschlag trägt wesentlich zum Energieabbau bei, wobei das Hooke'sche Gesetz wieder gilt, jedoch mit einer höheren Steifigkeit als zu Beginn.
Eine nicht in Figuren dargestellte mögliche alternative Ausführungsform der mikromechanischen Feder 10 könnte dadurch realisiert werden, dass die Federelemente 1, 2 und 4 gekrümmt ausgebildet sind, wobei auch in diesem Fall das Federelement 4 mit den Noppenelementen 5a...5n zwischen den gekrümmten Federelementen 1, 2 angeordnet ist.
Im Ergebnis wird mit der Erfindung eine Federstruktur geschaffen, die einen nichtlinearen federnden Anschlag mit einer an einem Ankerpunkt aufgehangenen Parallelfeder bewirkt, die in ihrem Inneren über kaskadierte Festanschläge verfügt. Die Steifigkeit des inneren Federelements ist aufgrund der Noppenelemente größer als die der äußeren Federelemente. Dadurch verändert sich die Steifigkeit des Anschlags in dynamischer Weise ab dem Zeitpunkt, an dem das erste Noppenelement des inneren Federelements kontaktiert wurde.
3 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform zum Herstellen einer mikromechanischen Feder für einen Inertialsensor.
In einem Schritt 100 werden ein erstes Federelement 1 und ein zweites Federelement 2 bereitgestellt.
In einem Schritt 110 wird ein paralleles Verankern des ersten Federelements 1 und des zweiten Federelements 2 an einem Ankerelement 20 des Inertialsensors durchgeführt.
In einem Schritt 120 wird ein drittes Federelement 4 bereitgestellt und es wird ein Verankern des dritten Federelements 4 zwischen den beiden Federelementen 1, 2 durchgeführt, wobei auf dem dritten Federelement 4 auf beiden Außenseiten eine definierte Anzahl von Noppenelementen 5a...5n angeordnet wird, die mit zunehmendem Abstand vom Ankerelement 20 mit zunehmendem Abstand von den Federelementen 1, 2 ausgebildet werden.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte mikromechanische Feder für einen Inertialsensor bereitgestellt. Der Inertialsensor kann dabei beispielsweise als ein Beschleunigungssensor ausgebildet sein. Vorteilhaft ist mit der vorgeschlagenen Struktur ein größerer Dynamikbereich realisierbar, in welchem die mikromechanische Feder als eine elastische Struktur wirkt.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausdrucksformen beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird somit erkennen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen der vorgeschlagenen mikromechanischen Feder entsprechend dem vorgeschlagenen Prinzip möglich ist.

Claims

Mikromechanische Feder (10) für einen Inertialsensor, aufweisend: - ein erstes und ein zweites Federelement (1, 2), die zueinander parallel angeordnet und an einem Ankerelement (20) des Inertialsensors verankert sind; und - ein zwischen den beiden Federelementen (1, 2) angeordnetes, am Ankerelement (20) verankertes drittes Federelement (4), das auf beiden Außenseiten eine definierte Anzahl von Noppenelementen (5a...5n) aufweist, die mit zunehmendem Abstand vom Ankerelement (20) von den Federelementen (1, 2) definiert zunehmend beabstandet ausgebildet sind.
Mikromechanische Feder (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (1, 2) an ihren Endbereichen mittels eines Verbindungselements (3) miteinander verbunden sind.
Mikromechanische Feder (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an Außenseiten der Federelemente (1, 2) beidseitig jeweils wenigstens ein Noppenelement (5a...5n) angeordnet ist.
Inertialsensor, aufweisend wenigstens eine mikromechanische Feder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Feder (10) für einen Inertialsensor, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen eines ersten Federelements (1) und eines zweiten Federelements (2); - paralleles Verankern des ersten Federelements (1) und des zweiten Federelements (2) an einem Ankerelement (20) des Inertialsensors; - Bereitstellen eines dritten Federelements (4) und Verankern des dritten Federelements (4) zwischen den beiden Federelementen (1, 2), wobei auf dem dritten Federelement (4) auf beiden Außenseiten eine definierte Anzahl von Noppenelementen (5a...5n) angeordnet wird, die mit zunehmendem Abstand vom Ankerelement (20) mit zunehmendem Abstand von den Federelementen (1, 2) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die beiden Federelemente (1, 2) an ihren Endbereichen mit einem Verbindungselement (3) verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Abstände der Noppenelemente (5a...5n) von den Federelementen (1, 2) derart ausgebildet werden, dass für die mikromechanische Feder (10) bei Kontaktierung einer Anzahl 1 < K < n-1 der Noppenelemente (5a...5n) mit einem der Federelemente (1, 2) eine nichtlineare Federcharakteristik erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei an Außenseiten der beiden Federelemente (1, 2) jeweils wenigstens ein Noppenelement (5a...5n) zum Anschlagen an seismische Massen (30) eines Inertialsensors ausgebildet wird.
Verwendung einer mikromechanischen Feder (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem Inertialsensor.