DE102016214962A1

DE102016214962A1 - Mikromechanischer Sensorkern für Inertialsensor

Info

Publication number: DE102016214962A1
Application number: DE102016214962.8A
Authority: DE
Inventors: Denis Gugel; Sebastian Guenther; Christian Hoeppner; Johannes Seelhorst; Timm Hoehr; Guenther-Nino-Carlo Ullrich; Barbara Simoni
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2018-02-15
Also published as: FR3055047A1; FR3055047B1; IT201700091680A1; TWI752993B; US20180045515A1; TW201809675A

Abstract

Mikromechanischer Sensorkern (100) für einen Inertialsensor (200), aufweisend: – eine bewegliche seismische Masse (10); – eine definierte Anzahl von Ankerelementen (20), mittels der die seismische Masse (10) an einem Substrat befestigt ist; – eine definierte Anzahl von am Substrat befestigten Anschlagseinrichtungen (20) zum Anschlagen der seismischen Masse (10); wobei – an der Anschlagseinrichtung (20) ein erstes federndes Anschlagselement (21), ein zweites federndes Anschlagselement (23) und ein festes Anschlagselement (22) ausgebildet sind; – wobei die Anschlagselemente (21, 22, 23) derart ausgebildet sind, dass die seismische Masse (10) nacheinander an das erste federnde Anschlagselement (21), das zweite federnde Anschlagselement (23) und das feste Anschlagselement (22) anschlagen kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensorkern für einen Inertialsensor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensorkerns für einen Inertialsensor.
Stand der Technik
Mikromechanische Inertialsensoren in Form von Beschleunigungssensoren werden in ihrer Bewegungsfreiheit durch Anschlagselemente eingeschränkt. Eine Aufgabe der Anschlagselemente besteht vor allem darin, auf den Inertialsensor wirkende kinetische Energie zu minimieren, die eine bewegliche Masse des Inertialsensors besitzt, wenn sie bei einer erhöhten Beschleunigung Festelektroden der Inertialsensoren berührt. Dadurch können Schäden an den genannten Festelektroden minimiert werden.
DE 10 2013 222 747 A1 offenbart einen mikromechanischen Z-Sensor, der mithilfe von zwei voneinander räumlich separierten wenigstens zwei Auffangeinrichtungen pro Wippenarm eine Anschlagsenergie der Wippe des mikromechanischen Z-Sensors besser verteilen und damit einen effizienten Schutz der Wippe vor Bruch bereitstellen kann.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten mikromechanischen Sensorkern für einen Inertialsensor bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Sensorkern für einen Inertialsensor, aufweisend:

– eine bewegliche seismische Masse;
– eine definierte Anzahl von Ankerelementen, mittels denen die seismische Masse an einem Substrat befestigt sind;
– eine definierte Anzahl von am Substrat befestigten Anschlagseinrichtungen zum Anschlagen der seismischen Masse; wobei
– an der Anschlagseinrichtung ein erstes federndes Anschlagselement, ein zweites federndes Anschlagselement und ein festes Anschlagselement ausgebildet sind; wobei
– die Anschlagselemente derart ausgebildet sind, dass die seismische Masse nacheinander an das erste federnde Anschlagselement, das zweite federnde Anschlagselement und das feste Anschlagselement anschlagen kann.

Auf diese Weise ist vorteilhaft unterstützt, dass bei einer übermäßigen Krafteinwirkung ein Klebeeffekt zwischen der seismischen Masse und den Anschlagselementen durch eine Rückstellkraft der federnden Anschlagselemente aufgehoben wird, wodurch im Ergebnis die seismische Masse wieder in ihre bestimmungsgemäß vorgesehene Ursprungslage „zurückgeschoben“ wird. Mittels des zweiten federnden Anschlagselements wird erreicht, dass eine gesamte Kraftwirkung der beiden federnden Anschlagselemente optimiert ist. Das erste federnde Anschlagselement kann durch das zweite federnde Anschlagselement auf vorteilhafte Weise deutlich entlastet werden.
Dadurch wird eine kaskadierte Anschlagsstruktur für den mikromechanischen Sensorkern eines Inertialsensors bereitgestellt, der einen Klebeeffekt vorteilhaft mindern kann. Vorteilhaft ist auf diese Weise ein eine verbesserte Robustheit des mikromechanischen Inertialsensors betreffend Überlast realisiert.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensorkerns für einen Inertialsensor, aufweisend die Schritte:

– Bereitstellen eines Substrats;
– Bereitstellen einer beweglichen seismischen Masse;
– Verankern der seismischen Masse am Substrat mittels Ankerelementen;
– Bereitstellen einer definierten Anzahl von Anschlagseinrichtungen zum Anschlagen der seismischen Masse;
– Ausbilden eines ersten federnden Anschlagselements, eines zweiten federnden Anschlagselements und eines festen Anschlagselements an jeder Anschlagseinrichtung, wobei die Anschlagselemente derart ausgebildet werden, dass im Anschlagsfall die seismische Masse zuerst an das erste federnde Anschlagselement, danach an das zweite federnden Anschlagselement und danach an das feste Anschlagselement anschlägt.

Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen Inertialsensors sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensorkerns zeichnet sich dadurch aus, dass eine Steifigkeit des zweiten federnden Anschlagselements definiert größer ist als eine Steifigkeit des ersten federnden Anschlagselements. Auf diese Weise ist unterstützt, dass ein kaskadiertes Anschlagsverhalten der beiden federnden Anschlagselemente realisiert ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensorkerns zeichnet sich dadurch aus, dass pro Anschlagseinrichtung jeweils zwei federnde erste Anschlagselemente, zwei federnde zweite Anschlagselemente und zwei feste Anschlagselemente symmetrisch zur seismischen Masse ausgebildet sind. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine bessere Verteilung der Krafteinwirkung auf die Anschlagselemente unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensorkerns zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Anschlagseinrichtungen vorgesehen sind, die symmetrisch zur seismischen Masse ausgebildet sind. Auf diese Weise ist durch die symmetrische Anordnung der Anschlagseinrichtungen in Relation zur seismischen Masse unterstützt, dass eine Betriebscharakteristik eines Inertialsensors mit dem mikromechanischen Sensorkern möglichst gleichmäßig ist.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Die Figuren sind insbesondere zur Verdeutlichung der erfindungswesentlichen Prinzipien gedacht und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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 eines mikromechanischen Sensorkerns für einen Inertialsensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend den mikromechanische Sensorkern für einen Inertialsensor ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:
1 eine Draufsicht auf einen herkömmlichen mikromechanischen Sensorkern für einen Inertialsensor;
2 einen Ausschnitt aus der Draufsicht von 1;
3 eine Detailansicht einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensorkerns;
4 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensorkerns;
5 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Sensorkerns für einen Inertialsensor; und
6 ein Blockschaltbild eines Initialsensors mit einer Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensorkerns. Beschreibung von Ausführungsformen
Anschlagselemente für mikromechanische 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
– Durch ihre Rückstellkraft können Sie den mikromechanischen Inertialsensor aus einem „klebenden“ bzw. „verhakten“ Zustand lösen

Eine Schwierigkeit im Design der genannten federnden Anschlagselemente besteht in ihrer richtigen Dimensionierung. Ein zu weiches Anschlagselement kann seine Aufgaben nicht erfüllen, da es kaum mechanische Energie aufnehmen kann und nur über eine geringe Rückstellkraft verfügt. 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 einen herkömmlichen mikromechanischen Sensorkern 100 für einen mikromechanischen In-plane-Inertialsensor, der Beschleunigungen in der xy-Ebene erfasst. Der Sensorkern 100 ist als ein Feder-Masse-System mit einer beweglichen, perforierten seismischen Masse 10 und Ankerelementen 14 ausgebildet, die eine Anbindung der seismischen Masse 10 an ein darunter angeordnetes Substrat („Festland“) realisieren. Erkennbar ist, dass die seismische Masse 10 über Federelemente 11 beweglich gelagert ist. Ferner erkennbar sind an der seismischen Masse ausgebildete Elektroden 12, 13, die mit unbeweglichen Gegenelektroden (nicht dargestellt) interagieren und auf diese Weise Beschleunigungen der seismischen Masse 10 in der xy-Ebene in x-Richtung erfassen.
Erkennbar ist, dass vier Ankerelemente 14 symmetrisch und zentral zur seismischen Masse 10 am Substrat verankert sind. Dies hat vor allem den Zweck, dass eine Verbiegung des unterhalb der seismischen Masse 10 angeordneten Substrats vom Inertialsensor möglichst nicht erfasst werden soll. Dies lässt sich dadurch begründen, dass sich durch die zentrale Anordnung der vier Ankerelemente 14 eine Verbiegung des Substrats kaum auf einen Bereich des Substrats im Bereich der Ankerelemente 14 auswirkt.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des mikromechanischen Sensorkerns 100 von 1. Erkennbar ist ein erstes federndes Anschlagselement 21, das an der Anschlagseinrichtung 20 ausgebildet ist und einen länglichen Balken aufweist, durch den eine federnde bzw. elastische bzw. flexible Federstruktur für das erste federnde Anschlagselement 21 realisiert ist. Am Ende des Balkens ist ein Kopfbereich mit einem größeren Durchmesser als der Balken angeordnet, der zum Anschlagen an der seismischen Masse 10 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck ist eine Distanz zwischen dem Kopfbereich und der seismischen Masse geeignet dimensioniert.
Ferner erkennbar ist ein ebenfalls an der Anschlagseinrichtung 20 ausgebildetes festes Anschlagselement 22. Das feste Anschlagselement 22 ist dabei noppenartig ausgebildet und bildet auf diese Weise ein steifes Anschlagselement, welches von der beweglichen seismischen Masse 10 definiert beabstandet ist.
Es sind somit insgesamt zwei Arten von Anschlagselementen vorgesehen, nämlich das erste federnde Anschlagselement 21 dessen Aufgabe es ist, die Bewegung der seismischen Masse 10 im Fall einer mechanischen Überlast zu begrenzen. Das erste federnde Anschlagselement 21 ist flexibel, und wird bei einer mechanischen Überlast des Inertialsensors (z.B. bei einem Aufprall eines mobilen Endgeräts auf den Boden) von der seismischen Masse 10 zuerst berührt, federt diese ab und limitiert deren Bewegung. Bei noch größerer Überlast biegt sich der Balken des ersten federnden Anschlagselements 21 durch, wodurch die seismische Masse 10 in weiterer Folge von den festen Anschlagselementen 22 blockiert wird. Dies ist dadurch möglich, dass die Abstände zwischen der seismischen Masse 10 und den Anschlagselementen 21, 22 unterschiedlich sind, wobei ein Abstand zwischen dem ersten federnden Anschlagelement 20 und der seismischen Masse 10 definiert geringer ist als ein Abstand zwischen dem festen Anschlagselement 22 und der seismischen Masse 10.
Insgesamt vier federnde erste Anschlagselemente 21 sind erforderlich, um die bei einem Kontakt der seismischen Masse 10 mit den Anschlagselementen 21, 22 auf atomarer Ebene entstehenden Klebekräfte aufzuheben, die die seismische Masse 10 mit den Anschlagselementen 21, 22 verkleben können. Die ersten federnden Anschlagselemente 21 können helfen, diesen Effekt zu reduzieren, indem sie bei Auslenkung der ersten federnden Anschlagselemente 21 und dadurch generierter Federkraft dazu beitragen, die seismische Masse 10 in die Ursprungslage zurückzuführen.
Vorgeschlagen wird eine Verbesserung der in den 1 und 2 gezeigten konventionellen Struktur.
3 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen Sensorkerns 100. Man erkennt, dass zwischen dem ersten federnden Anschlagselement 21 und dem festen Anschlagselement 22 nunmehr ein zweites federndes Anschlagselement 23 angeordnet ist, welches mechanische Anschlagsenergie im Falle des Anschlagens der seismischen Masse 10 verteilt. Das zweite federnde Anschlagselement 23 ist ebenfalls an der Anschlagseinrichtung 20 ausgebildet und weist ebenfalls ein Balken auf, der jedoch im Vergleich zum Balken des ersten federnden Anschlagselements 21 definiert und deutlich kürzer ist. Ferner weist das zweite federnde Anschlagselement 23 eine Art Hammerstruktur am Kopfende auf, die zu vorgesehen ist, im Anschlagsfall an die seismische Masse 10 anzuschlagen.
Funktional ist vorgesehen, dass die seismische Masse 10 bei mechanischer Überlast zunächst am ersten federnden Anschlagselement 21, danach am zweiten federnden Anschlagselement 23 und zuletzt am festen Anschlagselement 22 anschlägt. Durch die dabei aktivierten Federkräfte der beiden federnden Anschlagselemente 21, 23 wird die seismische Masse 10 gegenüber der konventionellen Struktur noch effizienter aus einer Klebestellung befreit und in die bestimmungsgemäße Ruhelage zurückgeschoben.
Zu diesem Zweck wird eine Distanz zwischen dem ersten federnden Anschlagselement 21 und der seismischen Masse 10 geringer als ein Abstand zwischen dem zweiten federnden Anschlagselement 23 und der seismischen Masse 10 ausgebildet. Zudem wird ein Abstand des zweiten federnden Anschlagselements 23 von der seismischen Masse 10 geringer als ein Abstand zwischen dem festen Anschlagselement 22 und der seismischen Masse 10 ausgebildet.
Im Ergebnis kann damit ein sequentielles, kaskadiertes Anschlagen der seismischen Masse 10 an die Anschlagselemente 21, 23 und 22 erreicht werden.
Ferner werden auch die Längen der Balken der federnden Anschlagselemente 21, 23 geeignet dimensioniert.
Die Summe der Federkraft der federnden Anschlagselemente 21, 23 ist dabei größer als eine Klebekraft zwischen der seismischen Masse 10 und den Anschlagselementen 21, 22, 23, wodurch die beschriebene Lösewirkung eintritt.
Im Ergebnis wird mit der Erfindung eine Federstruktur geschaffen, die ein kaskadiertes Anschlagen der seismischen Masse 10 an die Anschlagseinrichtung 20 ermöglicht. Vorteilhaft vergrößert sich die Steifigkeit der federnden Anschlagselemente in dynamischer Weise ab dem Zeitpunkt, an dem das erste federnde Anschlagselement 21 von der seismischen Masse 10 kontaktiert wird.
4 zeigt eine Draufsicht auf einen vollständigen vorgeschlagenen Sensorkern 100. Man erkennt, dass die zweiten federnden Anschläge 23, ebenso wie die ersten federnden Anschlagselemente 21 symmetrisch an insgesamt zwei Anschlagseinrichtungen 20 in vier Randbereichen des mikromechanischen Sensorkerns 100 angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Symmetrie von Anschlagseinrichtungen 20 mit Anschlagselementen 21, 22, 23 geschaffen, die eine Kräfteverteilung der seismischen Masse 10 auf die federnden Anschlagselemente 21, 23 effizient durchführt.
Ein symmetrisches Betriebsverhalten und eine erhöhte Betriebssicherheit des mikromechanischen Inertialsensors sind auf diese Weise vorteilhaft unterstützt.
Vorteilhaft kann der vorgeschlagene mikromechanische Sensorkern für jeden In-Plane-Inertialsensor mit einer Erfassung von Beschleunigungen in der Ebene verwendet werden.
Ein Aufprall eines mit dem vorgeschlagenen mikromechanischen Sensorkern ausgestatteten Geräts (z.B. ein Mobiltelefon) hat vorteilhaft keine nachteiligen Folgen auf den Inertialsensor.
5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform zum Herstellen eines mikromechanischen Inertialsensors.
In einem Schritt 300 wird ein Substrat bereitgestellt.
In einem Schritt 310 wird eine bewegliche seismische Masse bereitgestellt.
In einem Schritt 320 wird die seismische Masse 10 am Substrat mittels Ankerelementen 14 verankert.
In einem Schritt 330 wird eine definierte Anzahl von Anschlagseinrichtungen 20 zum Anschlagen der seismischen Masse 10 bereitgestellt.
In einem Schritt 340 wird ein Ausbilden eines ersten federnden Anschlagselements 21, eines zweiten federnden Anschlagselements 23 und eines festen Anschlagselements 22 an jeder Anschlagseinrichtung 20 durchgeführt, wobei die Anschlagselemente 21, 23, 22 derart ausgebildet werden, dass im Anschlagsfall die seismische Masse 10 zuerst an das erste federnde Anschlagselement 21, danach an das zweite federnden Anschlagselement 23 und danach an das feste Anschlagselement 22 anschlägt.
Die Reihenfolge der Schritte 300 und 310 ist dabei beliebig.
6 zeigt ein Blockschaltbild eines Initialsensors 200 mit einem vorgeschlagenen mikromechanischen Sensorkern 100.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein verbesserter mikromechanischer Sensorkern für einen Inertialsensor bereitgestellt, der ein kaskadiertes Anschlagsverhalten der seismischen Masse an Anschlagselemente realisiert und dadurch eine Rückstellkraft der federnden Anschlagselemente auf die seismische Masse optimiert.
Obwohl die Erfindung vorgehend anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie keineswegs darauf beschränkt. Der Fachmann wird erkennen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen des vorgeschlagenen mikromechanischen Sensorkerns gemäß dem erläuterten Prinzip möglich ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013222747 A1 [0003]

Claims

Mikromechanischer Sensorkern (100) für einen Inertialsensor (200), aufweisend: – eine bewegliche seismische Masse (10); – eine definierte Anzahl von Ankerelementen (20), mittels denen die seismische Masse (10) an einem Substrat befestigt sind; – eine definierte Anzahl von am Substrat befestigten Anschlagseinrichtungen (20) zum Anschlagen der seismischen Masse (10); wobei – an der Anschlagseinrichtung (20) ein erstes federndes Anschlagselement (21), ein zweites federndes Anschlagselement (23) und ein festes Anschlagselement (22) ausgebildet sind; – wobei die Anschlagselemente (21, 22, 23) derart ausgebildet sind, dass die seismische Masse (10) nacheinander an das erste federnde Anschlagselement (21), das zweite federnde Anschlagselement (23) und das feste Anschlagselement (22) anschlagen kann.
Mikromechanischer Sensorkern (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steifigkeit des zweiten federnden Anschlagselements (23) definiert größer ist als eine Steifigkeit des ersten federnden Anschlagselements (21).
Mikromechanischer Sensorkern (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass pro Anschlagseinrichtung (20) jeweils zwei federnde erste Anschlagselemente (21), zwei federnde zweite Anschlagselemente (23) und zwei feste Anschlagselemente (22) symmetrisch zur seismischen Masse (10) ausgebildet sind.
Mikromechanischer Sensorkern (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Anschlagseinrichtungen (20) vorgesehen sind, die symmetrisch zur seismischen Masse (10) ausgebildet sind.
Inertialsensor (200) aufweisend einen mikromechanischen Sensorkern (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Sensorkerns für einen Inertialsensor (100), aufweisend die Schritte: – Bereitstellen eines Substrats; – Bereitstellen einer beweglichen seismischen Masse (10); – Verankern der seismischen Masse (10) am Substrat mittels Ankerelementen (14); – Bereitstellen einer definierten Anzahl von Anschlagseinrichtungen (20) zum Anschlagen der seismischen Masse (10); – Ausbilden eines ersten federnden Anschlagselements (21), eines zweiten federnden Anschlagselements (23) und eines festen Anschlagselements (22) an jeder Anschlagseinrichtung (20), wobei die Anschlagselemente (21, 23, 22) derart ausgebildet werden, dass im Anschlagsfall die seismische Masse (10) zuerst an das erste federnde Anschlagselement (21), danach an das zweite federnden Anschlagselement (23) und danach an das feste Anschlagselement (22) anschlägt.
Verwendung eines mikromechanischen Sensorkerns (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem In-plane-Inertialsensor.