WO2021089343A1 - Inertialsensor mit einem eine haupterstreckungsebene aufweisendem substrat und einer über eine federanordnung mit dem substrat verbundenen seismischen masse - Google Patents

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springs
inertial sensor
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seismic mass
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Cristian Nagel
Sebastian Guenther
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Inertial sensor with a substrate having a main extension plane and a seismic sensor connected to the substrate via a spring arrangement
  • the invention is based on an inertial sensor according to the preamble of claim 1.
  • Inertial sensors are known from the prior art in various embodiments.
  • the basic physical principle of such sensors is that the inertial forces acting when the sensor is accelerated cause a deflection of one or more seismic masses.
  • DE 102009 045 391 A1 proposes a micromechanical structure with a seismic mass which, when acceleration is applied, executes a movement parallel to the substrate, via which the acceleration can be detected.
  • DE 102009 000 167 A1 describes a sensor arrangement with a seismic mass which is rotatably supported by torsion springs and which has an asymmetrical mass distribution with respect to the axis of rotation.
  • the torque generated by the asymmetry causes a rotation which serves to detect the acceleration.
  • a disadvantage of such a structure is that it has a more or less pronounced cross-sensitivity, that is to say that accelerations directed parallel to the substrate can also cause a rotation.
  • DE 102012 223 016 A1 proposes a special design of the suspension for a rotatably mounted mass, in which the springs have two sub-springs arranged one above the other, whereby the cross-sensitivity can be significantly reduced.
  • One way of influencing the frequency behavior is, for example, the geometric design of the springs, in particular the choice of the spring width. In this way, however, an XZ sensor can only ever be optimized with respect to one of the two directions, so that an equalization of the two different frequency behavior is not possible in this way.
  • an object of the present invention to provide an inertial sensor which has essentially the same resonance frequencies with respect to both oscillation modes (torsional oscillation and linear oscillation).
  • the inertial sensor according to the main claim has the advantage over the prior art that the special design of the Spring arrangement formed suspension an additional scope for influencing the resonance frequency of the torsional vibration is opened.
  • the core of the concept of the invention is that the vibration behavior with respect to the rotary movement can be specifically influenced by a suitable choice of the distance between the two springs, without the vibration behavior of the linear movement being changed at the same time. In this way, the resonance frequencies of the two oscillation modes can be matched to one another by simply adapting the micromechanical geometry.
  • the main plane of extent of the substrate is taken as the basis as the X-Y plane of a coordinate system.
  • the Z direction perpendicular to this is also referred to below as the vertical direction and the mutual position of the various elements in relation to the Z direction is described using the terms “top” and “bottom” without any relation to the direction of gravity being implied.
  • the sensor according to the invention is sensitive to accelerations in the X direction in the following sense: With an applied X acceleration, the seismic mass is deflected in the negative X direction due to its inertia with respect to the substrate.
  • This movement is made possible by the fact that the two springs of the spring arrangement (also referred to as double spring in the following) bend in the XY plane.
  • the two springs preferably run at least partially or completely in the Y direction and curve in the X direction when they are bent.
  • the rigidity of the spring arrangement with respect to bending in the XY plane and thus the resonance frequency of the linear oscillation is essentially determined by the width of the springs during this movement.
  • the width of the springs is to be understood here as the extension in the X direction.
  • the width is to be understood in particular as the X dimension of the sections that run in the X direction.
  • the concept according to the invention also explicitly allows the two springs to each include two or more sub-springs, the width of which can in particular also be different.
  • the spacing between the two springs and the widths of the partial springs are selected so that a resonance frequency of the linear oscillation is essentially equal to a resonance frequency of the torsional oscillation.
  • the seismic mass has an asymmetrical mass distribution with respect to the axis of rotation, ie the axis of rotation in particular does not run through the center of gravity of the seismic mass.
  • the axis of rotation is preferably arranged in the middle between the two springs with respect to the X direction.
  • the seismic mass In the rest position, i.e. without external accelerations, the seismic mass is preferably parallel to the X-Y plane.
  • a torque acts on the mass, so that it rotates around the axis of rotation, during which it tilts in relation to the X-Y plane.
  • This movement is made possible by the fact that the two springs perform a bending in the Z direction or a combination of a bending in the Z direction and a torsional movement.
  • the bending stiffness of the springs in the Z-direction generates a restoring force in the Z-direction, the restoring torque caused thereby being greater, the greater the lever length, which is formed by the distance between the springs, with the same flexural stiffness of the springs.
  • this distance can be used to influence the elastic behavior of the spring arrangement formed by the two springs with respect to rotations and thus set the resonance frequency of the torsional vibration in a targeted manner.
  • the spring spacing creates a further geometric parameter in addition to the spring width, via which the resonance frequency of the torsional vibration can be changed without simultaneously affecting the resonance frequency of the linear vibration.
  • the design of the spring arrangement is selected such that the resonance frequency of the linear oscillation is essentially the same as the resonance frequency of the torsional oscillation.
  • the two resonance frequencies can, for example, be viewed as essentially the same if the deviation is a maximum of 1%, 2%, 5% or 10%. It is also conceivable to at least roughly equalize the two resonance frequencies through the design of the spring arrangement and to carry out further fine-tuning, for example due to the electrostatic effect of compensation electrodes, for a more precise adjustment.
  • each of the two springs has an upper and a lower sub-spring, the upper and lower sub-springs each extending in the Y direction and spaced from one another in a Z direction perpendicular to the main extension plane.
  • the first and second springs are each designed such that a width of the upper part spring differs from a width of the lower part spring and / or the upper and lower part spring each have a height in the Z direction and a height of the upper one Part spring is different from a height of the lower part spring.
  • a spring also referred to below as an i-spring, thus comprises two sub-springs, the cross-sections of which have different dimensions.
  • a spring arrangement that is formed from two spaced i-springs is also referred to below as a double i-spring.
  • the height of the upper part spring can be greater than the height of the lower part spring.
  • the upper part spring preferably has a width which is less than the width of the lower part spring.
  • each of the two springs is designed in a meandering shape and has at least two sections running in the Y direction, which are connected to one another by sections running at least partially in the X direction.
  • This embodiment is also referred to below as a meander spring.
  • the two springs each have at least three sections running in the Y direction, a first section having a connection point with the substrate which is arranged in the center of the first section with respect to the Y direction, the first section and a second section are connected to one another at the ends, wherein the second section has a connection point with a third section which is arranged with respect to the Y-direction in the middle of the second section.
  • the first section is preferably connected to the substrate via an anchor point in a central region of the first section with respect to the Y direction.
  • the first and second sections are preferably connected to each other at the ends by short sections running in the X direction, and the second and third sections are preferably in turn connected to a section centered in relation to the Y direction and running in the X direction.
  • the two springs are each formed by a spring bar, each of the two spring bars in particular having a height in the Z direction that is greater than a width in the X direction.
  • Each of the two spring bars is preferably connected to the substrate in a central region, while the two ends are connected to the seismic mass.
  • This embodiment corresponds essentially to the double i-spring described above, but the springs are each formed only by a bar, that is to say do not have a second partial spring.
  • the distance and the width of the two springs are selected such that a frequency behavior of the linear oscillation is essentially the same as a frequency behavior of the torsional oscillation.
  • the dynamic behavior with respect to the linear vibration is described by a first transfer function (i.e. by the mathematical relationship between the frequency of the drive signal and the resulting oscillation frequency)
  • the dynamic behavior with respect to the torsional vibration is described by a second transfer function and the course corresponds to the first transfer function essentially the course of the second transfer function.
  • both the resonance frequencies and the sensitivities with regard to the two oscillation modes are essentially identical.
  • An adaptation of the frequency behavior is made possible by the geometric design of the sensor, made possible in particular by the choice of the width and the spacing of the springs.
  • the spring arrangement is surrounded by the seismic mass with respect to the main plane of extent.
  • the spring arrangement is completely surrounded by the seismic mass, in particular with regard to the X-Y plane, the mass preferably forming a frame structure which completely surrounds the spring arrangement with regard to the X-Y plane.
  • the seismic mass preferably has a recess in its inner region and the spring arrangement is arranged in this recess, the two springs of the spring arrangement preferably being connected on the one hand to an inner edge of the recess and on the other hand to the anchor point also arranged in the recess.
  • the first and second springs are connected to the substrate via a common anchor point.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the inertial sensor according to the invention, in which the spring arrangement is formed by a double i-spring.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the inertial sensor according to the invention in which the spring arrangement is formed by a double meander spring.
  • Figure 3 shows a schematic representation of the cross section of an i-spring.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the shape of a meander spring.
  • FIG. 1 an embodiment of the inertial sensor 1 according to the invention is shown in a plan view.
  • the horizontal direction of the plane of the sheet corresponds to the X direction 7, while the vertical corresponds to the Y direction 8.
  • the XY plane spanned by the two directions 7, 8 corresponds to the main extension plane 2 of the substrate of the sensor 1.
  • the sensor 1 has a seismic mass 6, which is formed by a spring arrangement 3 formed from two springs 4, 5 spaced apart in the X direction 7 is vibrantly connected to the substrate.
  • the spring arrangement 3 is a so-called double-i-spring, in which each of the two springs 4, 5 consists of two sub-springs 13, 14 arranged vertically one above the other, with which the cross-sensitivity of the sensor 1 can be significantly reduced (to the vertical For the expansion of i-springs, see Figure 3; the special design and mode of operation of the i-springs is also described in DE 102012 223 016 A1).
  • the springs 4, 5 or their respective sub-springs 13, 14 have the shape of bar springs, which are connected in their central area to an anchor point 22 and whose ends are connected to the seismic mass 6, so that the seismic mass 6 in this way is mounted elastically with respect to the substrate.
  • the two springs 4, 5 are spaced apart 12 in the X direction 7 and both engage the centrally arranged anchor point 22, although embodiments with two or more anchor points are also conceivable.
  • the spring arrangement 3 is completely surrounded by the mass 6 with respect to the X-Y plane 2, i.e. the mass 6 forms a frame structure which completely surrounds the spring arrangement 3 with respect to the X-Y plane 2.
  • the mass 6 has a recess in its interior and the spring arrangement 3 is arranged in this recess, the springs 4, 5 being connected on the one hand to an inner edge of the recess and on the other hand to the anchor point 22 also arranged in the recess.
  • the seismic mass 6 supported by the spring arrangement 3 can perform two different types of deflection.
  • an acceleration of the sensor 1 in the X direction 7 causes a linear movement 36 of the seismic mass 6, which also runs parallel to the X axis 7.
  • the shift is detected here by comb electrodes 25, 27 which are fixed to the substrate and which mesh with a plurality of electrodes 26 which are firmly connected to the ground 6.
  • the capacitance of the electrode arrangement 25, 26, 27 changes so that the displacement 36 is accessible for measurement, for example via a differential method.
  • the illustrated sensor 1 is also sensitive to accelerations in the Z direction 9, which cause the mass 7 to tilt.
  • the mass 6 is designed asymmetrically with respect to the suspension 3, as shown.
  • the torque caused by the inertia of the left side of the mass 6 is significantly greater than that of the right side, so that a total torque results through which the mass 6 experiences a rotary movement 37 about the axis of rotation 10, so that the mass 6 tilts in relation to the XY plane 2 in the Z direction 9.
  • substrate-fixed electrodes 23, 24 are arranged under the mass 6, which together with the seismic mass 6 also form a capacitive system via which the rotary movement 37 can be converted into an electrical signal.
  • the spring arrangement 3 enables the two types of deflection through the following deformations:
  • the springs 4, 5 bend in the X direction 7, that is, the spring constant of the suspension 3 with respect to this linear deflection is due to the flexural rigidity of the springs 4, 5 and thus primarily determined by the width of the spring 12.
  • the springs 4, 5 bend in the Z direction 9.
  • the restoring torque associated therewith is determined not only by the spring stiffness in the Z direction 9 but also by the lever length, which is formed by the distance 12 between the two springs.
  • the spring constant of the suspension 3 with respect to rotations 37 is therefore essentially determined by the distance 12 between the two springs 4, 5, the In contrast, distance 12 has little or no influence on the elastic behavior in the case of X deflections 36.
  • the structure is analogous to that in FIG. 1, but here the spring arrangement 3 is formed by a double meander spring 3.
  • the double meander spring 3 in turn comprises two springs 4, 5, which are designed as meander springs, i.e. the springs 4, 5 have several parts that run alternately in the X and Y directions 7, 8.
  • the course of the meander spring 5 lying on the right in the drawing is shown in FIG.
  • the meander spring 4 on the left in the drawing is mirror-symmetrical with respect to the axis of rotation 10.
  • FIG. 3 the cross section of an i-spring is shown.
  • Two such i-springs 4, 5 form the double i-spring 3 with which the seismic mass 6 is elastically supported in the embodiment from FIG.
  • the cross section shown corresponds to a section parallel to the XZ plane, ie the horizontal direction of the sheet plane corresponds to the X direction 7 and the vertical to the Z direction 9.
  • the term “i-spring” expresses the fact that the cross section of the Feather resembles an "i" turned upside down.
  • the i-spring 4, 5 comprises two sub-springs 13, 14, the cross-sections of which have different dimensions 15, 16, 17, 18. In particular, the height 17 of the upper part spring 13 is greater than the height 18 of the lower part spring 14.
  • the upper part spring 13 has a width 15 which is less than the width 16 of the lower part spring 14.
  • This design advantageously makes it possible to reduce the cross-sensitivity between linear and torsional vibration.
  • each of the two springs 4, 5 it is possible for each of the two springs 4, 5 to be formed only by a single bar spring which, for example, can have the cross-sectional shape of the upper part spring 13 shown, but without additionally including a lower part spring 14.
  • Such a spring can also be connected to the substrate and seismic mass in the manner shown in FIG.
  • FIG. 4 shows the shape of the right meander spring 5 from FIG. 2 with respect to the X and Y directions 7, 8.
  • the spring 5 is connected at the connection point 33 to the centrally arranged anchor point 22, while the ends 32 are connected to the one formed by the seismic mass 6
  • the meander spring 5 comprises three sections 28, 29, 30 running in the Y direction 8, which are connected to one another by sections 31, 35 running in the X direction 7.
  • the first section 28 is connected to the anchor point 22 in the middle 34.
  • the first and second sections 28, 29 are each connected at the ends by the short ones running in the X direction 7
  • Sections are connected to one another and the second and third sections 29, 30 are in turn connected to a centrally attached segment 35 extending in the X direction 7.

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Abstract

Es wird ein Inertialsensor (1) mit einem eine Haupterstreckungsebene (2) aufweisendem Substrat und einer über eine Federanordnung (3) mit dem Substrat verbundenen seismischen Masse (6) vorgeschlagen, wobei die seismische Masse (6) durch die Federanordnung (3) derart gelagert ist, dass die seismische Masse (6) zu einer Linearschwingung und einer Drehschwingung anregbar ist, wobei die Linearschwingung entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene (2) verlaufenden X-Richtung (7) verläuft und eine Drehachse (10) der Drehschwingung entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene (2) verlaufenden und auf der X-Richtung (7) senkrecht stehenden Y- Richtung (8) verläuft, wobei die Federanordnung (3) eine erste und zweite Feder (4, 5) aufweist, wobei die erste und zweite Feder (4, 5) in X- Richtung jeweils eine Breite (11) und einen gegenseitigen Abstand (12) aufweisen und der Abstand (12) und die Breite (11) der beiden Federn so gewählt sind, dass eine Resonanzfrequenz der Linearschwingung im Wesentlichen gleich einer Resonanzfrequenz der Drehschwingung ist.

Description

Beschreibung
Titel
Inertialsensor mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Substrat und einer über eine Federanordnung mit dem Substrat verbundenen seismischen
Masse
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Inertialsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Inertialsensoren sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Das physikalische Grundprinzip solcher Sensoren besteht darin, dass die bei einer Beschleunigung des Sensors wirkenden Trägheitskräfte eine Auslenkung einer oder mehrerer seismischen Massen bewirken.
So wird beispielsweise in der DE 102009 045 391 Al eine mikromechanische Struktur mit einer seismischen Masse vorgeschlagen, die bei einer anliegenden Beschleunigung eine Bewegung parallel zum Substrat ausführt, über die sich die Beschleunigung detektieren lässt. In der DE 102009 000 167 Al wird eine Sensoranordnung mit einer durch Torsionsfedern drehbar gelagerten seismischen Masse beschrieben, die bezüglich der Drehachse eine asymmetrische Massenverteilung aufweist. Bei einer senkrecht zum Substrat wirkenden Beschleunigung wird über das durch die Asymmetrie erzeugte Drehmoment eine Drehung hervorgerufen, die zur Detektion der Beschleunigung dient. Nachteilig an einer solchen Struktur ist jedoch, dass sie eine mehr oder weniger ausgeprägte Querempfindlichkeit aufweist, d.h. dass auch parallel zum Substrat gerichtete Beschleunigungen eine Drehung bewirken können. Das damit verbundene Fehlsignal überlagert das eigentliche Messsignal und verfälscht auf diese Weise die Detektion. In der DE 102012 223 016 Al wird in diesem Zusammenhang daher eine besondere Gestaltung der Aufhängung für eine drehbar gelagerte Masse vorgeschlagen, bei der die Federn zwei übereinander angeordneten Teilfedern aufweisen, wodurch sich die Querempfindlichkeit wesentlich reduzieren lässt.
Bei dem in der DE 102008001 442 Al vorgeschlagenen mikromechanischen Bauelement wird die Detektion zweier verschiedener Beschleunigungsrichtungen mit einer einzigen seismischen Masse realisiert. Die eine Richtung verläuft dabei parallel zum Substrat (X- Richtung) und wird durch eine entsprechende X- Auslenkung der seismischen Masse detektiert, während die zweite Richtung senkrecht zum Substrat verläuft (Z- Richtung) und durch eine Drehbewegung der seismischen Masse detektiert wird. Bei derartigen kombinierten XZ-Sensoren ergibt sich jedoch das Problem, dass die beiden Detektionsmoden (Drehung und Linearbewegung) im Frequenzbereich weit auseinander liegen. Dieser Umstand ist bei der Verwendung einer einzelnen Torsionsfeder nicht zu vermeiden. Dabei hat der Sensor in X- und Z- Richtung jeweils unterschiedliche Übertragungsfunktionen (Frequenzverhalten) und entsprechend unterschiedliche Empfindlichkeiten. Eine Möglichkeit, das Frequenzverhalten zu beeinflussen, besteht beispielsweise in der geometrischen Gestaltung der Federn, insbesondere in der Wahl der Federbreite. Ein XZ-Sensor lässt sich auf diese Weise jedoch immer nur bezüglich einer der beiden Richtungen optimieren, so dass eine Angleichung der beiden verschiedenen Frequenzverhalten auf diesem Wege nicht möglich ist.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Inertialsensor zur Verfügung zu stellen, der bezüglich beider Schwingungsmoden (Drehschwingung und Linearschwingung) im Wesentlichen gleiche Resonanzfrequenzen aufweist.
Der Inertialsensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die besondere Gestaltung der durch die Federanordnung gebildeten Aufhängung ein zusätzlicher Spielraum zur Beeinflussung der Resonanzfrequenz der Drehschwingung eröffnet wird. Der Kern des Erfindungsgedankens liegt hierbei darin, dass das Schwingungsverhalten bezüglich der Drehbewegung durch eine geeignete Wahl des Abstandes der beiden Federn gezielt beeinflusst werden kann, ohne dass dabei gleichzeitig das Schwingungsverhalten der Linearbewegung verändert wird. Auf diese Weise lassen sich die Resonanzfrequenzen der beiden Schwingungsmoden durch eine einfache Anpassung der mikromechanischen Geometrie aneinander angleichen.
Zur Beschreibung der geometrischen Verhältnisse wird die Haupterstreckungsebene des Substrats als X-Y- Ebene eines Koordinatensystems zugrunde gelegt. Die dazu senkrechte Z-Richtung wird im Folgenden auch als vertikale Richtung bezeichnet und die gegenseitige Lage der verschiedenen Elemente bezüglich der Z-Richtung wird mit den Begriffen „oben“ und „unten“ beschrieben, ohne dass damit eine Beziehung zur Schwerkraftrichtung impliziert ist.
Der erfindungsgemäße Sensor ist im folgenden Sinne sensitiv gegenüber Beschleunigungen in X-Richtung: Bei einer anliegenden X-Beschleunigung wird die seismische Masse aufgrund ihrer Trägheit gegenüber dem Substrat in negative X-Richtung ausgelenkt. Diese Bewegung wird dadurch ermöglicht, dass sich die beiden Federn der Federanordnung (im Folgenden auch als Doppelfeder bezeichnet) in der X-Y-Ebene verbiegen. Vorzugsweise verlaufen die beiden Federn zumindest teilweise oder vollständig in Y-Richtung und krümmen sich bei der Verbiegung in X-Richtung. Die Steifigkeit der Federanordnung gegenüber Verbiegungen in der X-Y-Ebene und damit die Resonanzfrequenz der Linearschwingung wird bei dieser Bewegung im Wesentlichen durch die Breite der Federn bestimmt. Unter der Breite der Federn ist hierbei die Ausdehnung in X-Richtung zu verstehen. Bei Ausführungsformen, bei denen die Federn zusätzlich Teilstücke aufweisen, die zumindest teilweise in Y-Richtung verlaufen, ist unter der Breite insbesondere die X- Ausdehnung der in X-Richtung verlaufenden Teilstücke zu verstehen. Das erfindungsgemäße Konzept lässt explizit auch zu, dass die beiden Federn jeweils zwei oder mehr Teilfedern umfassen, deren Breite insbesondere auch unterschiedlich ausfallen kann. Bei diesen Ausführungsformen sind dann entsprechend der Abstand der beiden Federn und die Breiten der Teilfedern so gewählt, dass eine Resonanzfrequenz der Linearschwingung im Wesentlichen gleich einer Resonanzfrequenz der Drehschwingung ist. Zu Detektion von Z-Beschleunigungen weist die seismische Masse bezüglich der Drehachse eine asymmetrische Massenverteilung auf, d.h. die Drehachse verläuft insbesondere nicht durch den Schwerpunkt der seismischen Masse. Vorzugsweise ist die Drehachse bezüglich der X-Richtung in der Mitte zwischen den beiden Federn angeordnet.
In der Ruhelage, d.h. ohne äußere Beschleunigungen, liegt die seismische Masse vorzugsweise parallel zur X-Y- Ebene. Bei einer Beschleunigung in Z- Richtung wirkt aufgrund der Massenasymmetrie ein Drehmoment auf die Masse, so dass sie eine Rotation um die Drehachse ausführt, bei der sie sich gegenüber der X-Y-Ebene verkippt. Diese Bewegung wird dadurch ermöglicht, dass die beiden Federn eine Verbiegung in Z-Richtung, bzw. eine Kombination aus einer Verbiegung in Z-Richtung und einer Torsionsbewegung ausführen. Die Biegesteifigkeit der Federn in Z-Richtung erzeugt dabei eine rückstellende Kraft in Z-Richtung, wobei das dadurch hervorgerufene rückstellende Drehmoment bei gleicher Biegesteifigkeit der Federn umso größer ausfällt, je größer die Hebellänge ist, die durch den Abstand zwischen den Federn gebildet wird.
Anders ausgedrückt lässt sich also über diesen Abstand das elastische Verhalten der durch die beiden Federn gebildeten Federanordnung gegenüber Drehungen beeinflussen und damit gezielt die Resonanzfrequenz der Drehschwingung einstellen. Auf diese Weise wird durch den Federabstand zusätzlich zur Federbreite ein weiterer geometrischer Parameter geschaffen, über den sich die Resonanzfrequenz der Drehschwingung verändern lässt, ohne dass damit gleichzeitig die Resonanzfrequenz der Linearschwingung betroffen ist.
Erfindungsgemäß ist die Gestaltung der Federanordnung so gewählt, dass die Resonanzfrequenz der Linearschwingung im Wesentlichen gleich der Resonanzfrequenz der Drehschwingung ist. Die beiden Resonanzfrequenzen können beispielsweise als im Wesentlichen gleich angesehen werden, wenn die Abweichung maximal 1 %, 2 %, 5 % oder 10 % beträgt. Denkbar ist auch, die beiden Resonanzfrequenzen durch die Gestaltung der Federanordnung zumindest grob anzugleichen und eine weitere Feinabstimmung, beispielsweise durch die elektrostatische Wirkung von Kompensationselektroden, für eine präzisere Angleichung durchzuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist jede der beiden Federn jeweils eine obere und eine untere Teilfeder auf, wobei die obere und untere Teilfeder jeweils in Y- Richtung verlaufen und in einer auf der Haupterstreckungsebene senkrecht stehenden Z-Richtung voneinander beabstandet sind. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Feder jeweils derart gestaltet, dass eine Breite der oberen Teilfeder von einer Breite der unteren Teilfeder verschieden ist und/oder die obere und untere Teilfeder jeweils eine Höhe in Z-Richtung aufweisen und eine Höhe der oberen Teilfeder von einer Höhe der unteren Teilfeder verschieden ist. Eine solche Feder, im Folgenden auch als i-Feder bezeichnet, umfasst also zwei Teilfedern, deren Querschnitte unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Eine Federanordnung, die aus zwei beabstandeten i-Federn gebildet wird, wird im Folgenden auch als Doppel-i- Feder bezeichnet. Insbesondere kann die Höhe der oberen Teilfeder größer als die Höhe der unteren Teilfeder sein. Weiterhin weist die obere Teilfeder vorzugsweise eine Breite auf, die geringer ist als die Breite der unteren Teilfeder. Durch diese Gestaltung ist es vorteilhafterweise möglich, die Querempfindlichkeit zwischen Linear- und Drehschwingung zu reduzieren. Weitere Details zur Gestaltung einer solchen i-Feder sind in der DE 102012 223 016 Al beschrieben. Erfindungsgemäß sind dabei der Abstand der beiden, die Doppel-i- Feder bildenden Federn und die Breiten der Teilfedern so gewählt, dass eine Resonanzfrequenz der Linearschwingung im Wesentlichen gleich einer Resonanzfrequenz der Drehschwingung ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jede der beiden Federn mäanderförmig ausgebildet und weist mindestens zwei in Y- Richtung verlaufende Teilstücke auf, die durch zumindest teilweise in X-Richtung verlaufende Teilstücke miteinander verbunden sind. Diese Ausführungsform wird im Folgenden auch als Mäanderfeder bezeichnet. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die beiden Federn jeweils mindestens drei in Y-Richtung verlaufende Teilstücke auf, wobei ein erstes Teilstück einen Verbindungspunkt mit dem Substrat aufweist, der bezüglich der Y-Richtung in der Mitte des ersten Teilstücks angeordnet ist, wobei das erste Teilstück und ein zweites Teilstück an den Enden miteinander verbunden sind, wobei das zweite Teilstück einen Verbindungspunkt mit einem dritten Teilstück aufweist, der bezüglich der Y-Richtung in der Mitte des zweiten Teilstücks angeordnet ist. Das erste Teilstück ist dabei vorzugsweise bezüglich der Y-Richtung in einem Mittelbereich des ersten Teilstücks über einen Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden. Das erste und zweite Teilstück sind vorzugsweise jeweils an den Enden durch kurze, in X-Richtung verlaufende Teilstücke miteinander verbunden und das zweite und dritte Teilstück sind vorzugsweise wiederum mit einem bezüglich der Y-Richtung mittig angebrachten, in X-Richtung verlaufenden Teilstück verbunden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die beiden Federn jeweils durch einen Federbalken gebildet, wobei jeder der beiden Federbalken insbesondere eine Höhe in Z-Richtung aufweist, die größer ist als eine Breite in X-Richtung. Vorzugsweise ist jeder der beiden Federbalken in einem Mittelbereich mit dem Substrat verbunden, während die beiden Enden mit der seismischen Masse verbunden sind. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der vorstehend beschriebenen Doppel-i-Feder wobei die Federn jedoch jeweils nur durch einen Balken gebildet werden, also keine zweite Teilfeder aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Abstand und die Breite der beiden Federn so gewählt, dass ein Frequenzverhalten der Linearschwingung im Wesentlichen gleich einem Frequenzverhalten der Drehschwingung ist. Anders ausgedrückt wird das dynamische Verhalten bezüglich der Linearschwingung durch eine erste Übertragungsfunktion (d.h. durch den mathematischen Zusammenhang zwischen der Frequenz des Antriebssignal und der resultierenden Schwingungsfrequenz) beschrieben, das dynamische Verhalten bezüglich der Drehschwingung wird durch eine zweite Übertragungsfunktion beschrieben und der Verlauf der ersten Übertragungsfunktion entspricht im Wesentlichen dem Verlauf der zweiten Übertragungsfunktion. Insbesondere sind in einem solchen Fall sowohl die Resonanzfrequenzen, als auch die Empfindlichkeiten bezüglich der beiden Schwingungsmoden im Wesentlichen identisch. Eine Anpassung des Frequenzverhaltens wird dabei durch die geometrische Gestaltung des Sensors, insbesondere durch die Wahl der Breite und des Abstandes der Federn ermöglicht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Federanordnung bezüglich der Haupterstreckungsebene von der seismischen Masse umgeben. Die Federanordnung ist von der seismischen Masse insbesondere bezüglich der X- Y- Ebene vollständig umgeben, wobei die Masse vorzugsweise eine Rahmenstruktur bildet, die die Federanordnung bezüglich der X-Y-Ebene vollständig umgibt. Vorzugsweise weist die seismische Masse in ihrem Innenbereich eine Ausnehmung auf und die Federanordnung ist in dieser Ausnehmung angeordnet, wobei die beiden Federn der Federanordnung vorzugsweise einerseits mit einem Innenrand der Ausnehmung und andererseits mit dem ebenfalls in der Ausnehmung angeordneten Ankerpunkt verbunden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und zweite Feder über einen gemeinsamen Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden. Alternativ ist denkbar, die beiden Federn jeweils über zwei getrennte Ankerpunkte mit dem Substrat zu verbinden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors, bei der die Federanordnung durch eine Doppel-i-Feder gebildet wird.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors, bei der die Federanordnung durch eine Doppel-Mäanderfeder gebildet wird.
Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung den Querschnitt einer i- Feder.
Figur 4 zeigt in einer schematischen Darstellung die Form einer Mäanderfeder. Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialssensors 1 in einer Aufsicht dargestellt. Die horizontale Richtung der Blattebene entspricht dabei der X-Richtung 7, während die Vertikale der Y-Richtung 8 entspricht. Die von den beiden Richtungen 7, 8 aufgespannte X-Y- Ebene entspricht der Haupterstreckungsebene 2 des Substrats des Sensors 1. Der Sensor 1 weist eine seismische Masse 6 auf, die über eine aus zwei in X-Richtung 7 beabstandeten Federn 4, 5 gebildete Federanordnung 3 schwingungsfähig mit dem Substrat verbunden ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Federanordnung 3 eine sogenannte Doppel-i-Feder, bei der jede der beiden Federn 4, 5 aus zwei vertikal übereinander angeordneten Teilfedern 13, 14 besteht, mit denen sich die Querempfindlichkeit des Sensors 1 erheblich reduzieren lässt (zur vertikalen Ausdehnung i-Federn siehe Figur 3; die spezielle Gestaltung und Funktionsweise der i-Federn ist außerdem in der DE 102012 223 016 Al beschrieben). Die Federn 4, 5 bzw. deren jeweilige Teilfedern 13, 14 haben die Form von Balkenfedern, die in ihrem mittleren Bereich mit einem Ankerpunkt 22 verbunden sind und deren Enden mit der seismische Masse 6 verbunden sind, so dass die seismische Masse 6 auf diese Weise gegenüber dem Substrat elastisch gelagert ist. Die beiden Federn 4, 5 weisen in X-Richtung 7 einen Abstand 12 auf und greifen beide an dem zentral angeordneten Ankerpunkt 22 an, wobei jedoch auch Ausführungsformen mit zwei oder mehr Ankerpunkten denkbar sind. Die Federanordnung 3 ist von der Masse 6 bezüglich der X-Y-Ebene 2 vollständig umgeben, d.h. die Masse 6 bildet eine Rahmenstruktur, die die Federanordnung 3 bezüglich der X-Y-Ebene 2 vollständig umgibt. Anders ausgedrückt weist die Masse 6 in ihrem Innenbereich eine Ausnehmung auf und die Federanordnung 3 ist in dieser Ausnehmung angeordnet, wobei die Federn 4, 5 einerseits mit einem Innenrand der Ausnehmung und andererseits mit dem ebenfalls in der Ausnehmung angeordneten Ankerpunkt 22 verbunden sind.
Die über die Federanordnung 3 gelagerte seismische Masse 6 kann zwei verschiedenen Arten von Auslenkung ausführen. Zum einen bewirkt eine Beschleunigung des Sensors 1 in X-Richtung 7 eine ebenfalls parallel zur X- Achse 7 verlaufende Linearbewegung 36 der seismischen Masse 6. Bewegt sich der Sensor 1 dabei in positive X-Richtung 7 wird die seismische Masse 6 aufgrund ihrer Trägheit relativ zum beschleunigten Substrat in negative X- Richtung 7 verschoben. Die Verschiebung wird hier durch substratfeste Kammelektroden 25, 27 detektiert, die mit mehreren, fest mit der Masse 6 verbundenen Elektroden 26 ineinandergreifen. Bei einer durch eine X- Verschiebung 36 hervorgerufenen Änderung der Abstände zwischen den Elektroden 25, 26, 27 ändert sich die Kapazität der Elektrodenanordnung 25, 26, 27, so dass die Verschiebung 36 beispielsweise über ein differentielles Verfahren einer Messung zugänglich wird. Der dargestellte Sensor 1 ist darüber hinaus sensitiv gegenüber Beschleunigungen in Z-Richtung 9, die eine Verkippung der Masse 7 bewirken. Zu diesem Zweck ist die Masse 6 wie dargestellt asymmetrisch bezüglich der Aufhängung 3 gestaltet. Bei einer Z-Beschleunigung ist das durch die Trägheit der linken Seite der Masse 6 hervorgerufene Drehmoment wesentlich größer als das der rechten Seite, so dass sich ein Gesamtdrehmoment ergibt, durch das die Masse 6 eine Drehbewegung 37 um die Drehachse 10 erfährt, so dass sich die Masse 6 gegenüber der X-Y-Ebene 2 in Z-Richtung 9 verkippt. Zur Detektion dieser Verkippung 37 sind unter der Masse 6 substratfeste Elektroden 23, 24 angeordnet, die zusammen mit der seismischen Masse 6 ebenfalls ein kapazitives System bilden, über das sich die Drehbewegung 37 in ein elektrisches Signal umwandeln lässt.
Die Federanordnung 3 ermöglicht die beiden Arten von Auslenkung durch folgende Deformationen: Bei einer X-Auslenkung 36 verbiegen sich die Federn 4, 5 in X-Richtung 7, d.h. die Federkonstante der Aufhängung 3 bezüglich dieser Linearauslenkung ist durch die Biegesteifigkeit der Federn 4, 5 und damit in erster Linie durch die Federbreite 12 bestimmt. Bei einer Drehbewegung 37 verbiegen sich die Federn 4, 5 dagegen in Z-Richtung 9. Das damit verbundene rückstellende Drehmoment ist neben der Federsteifigkeit in Z-Richtung 9 durch die Hebellänge bestimmt, die von dem Abstand 12 der beiden Federn gebildet wird. Die Federkonstante der Aufhängung 3 bezüglich Drehungen 37 ist also im Wesentlichen durch den Abstand 12 der beiden Federn 4, 5 bestimmt, wobei der Abstand 12 dagegen keinen oder nur einen geringen Einfluss auf das elastische Verhalten bei X-Auslenkungen 36 hat.
Da durch das elastische Verhalten bei Linear- bzw. Drehbewegungen 36, 37 auch das Frequenzverhalten von Linear- bzw. Drehschwingungen bestimmt ist, ergibt sich aus dem eben beschriebenen Sachverhalt die Möglichkeit, die beiden Frequenzverhalten durch eine geeignete Wahl des Federabstandes 12 und der Federbreite 11 gezielt zu beeinflussen. Insbesondere lässt sich auf diese Weise durch eine entsprechende Gestaltung der Federanordnung 3 erreichen, dass das Frequenzverhalten und damit die Empfindlichkeit bezüglich der beiden Schwingungsmoden im Wesentlichen gleich ist.
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors 1 ist der Aufbau analog wie in Figur 1, jedoch wird hier die Federanordnung 3 durch eine Doppel-Mäanderfeder 3 gebildet. Die Doppel- Mäanderfeder 3 umfasst wiederum zwei Federn 4, 5, die als Mäanderfedern ausgebildet sind, d.h. die Federn 4, 5 weisen mehrere Teilstücke auf, die abwechselnd in X- und in Y-Richtung 7, 8 verlaufen. Der Verlauf der in der Zeichnung rechts liegenden Mäanderfeder 5 ist in Figur 4 abgebildet. Die in der Zeichnung links liegende Mäanderfeder 4 liegt bezüglich der Drehachse 10 spiegelsymmetrisch dazu.
In der Figur 3 ist der Querschnitt einer i-Feder abgebildet. Zwei derartige i- Federn 4, 5 bilden die Doppel-i-Feder 3 mit der die seismische Masse 6 bei der Ausführungsform aus Figur 1 elastisch gelagert ist. Der abgebildete Querschnitt entspricht einem Schnitt parallel zur X-Z-Ebene, d.h. die horizontale Richtung der Blattebene entspricht hier der X-Richtung 7 und die Vertikale der Z-Richtung 9. Der Begriff „i-Feder“ drückt den Umstand aus, dass der Querschnitt der Feder einem auf den Kopf gestellten „i“ ähnelt. Die i-Feder 4, 5 umfasst zwei Teilfedern 13, 14, deren Querschnitte unterschiedliche Abmessungen 15, 16, 17, 18 aufweisen. Insbesondere ist hier die Höhe 17 der oberen Teilfeder 13 größer als die Höhe 18 der unteren Teilfeder 14. Weiterhin weist die obere Teilfeder 13 eine Breite 15 auf, die geringer ist als die Breite 16 der unteren Teilfeder 14. Durch diese Gestaltung ist es vorteilhafterweise möglich, die Querempfindlichkeit zwischen Linear- und Drehschwingung zu reduzieren. Alternativ ist es auch möglich, dass jede der beiden Federn 4, 5 nur durch eine einzige Balkenfeder gebildet werden, die beispielsweise die Querschnittsform der abgebildeten oberen Teilfeder 13 aufweisen kann, ohne jedoch zusätzlich eine untere Teilfeder 14 zu umfassen. Eine solche Feder kann ebenfalls in der in Figur 1 abgebildeten Weise mit Substrat und seimsischer Masse verbunden sein.
In der Figur 4 ist die Form der rechten Mäanderfeder 5 aus Figur 2 bezüglich der X- und Y- Richtung 7, 8 dargestellt. Die Feder 5 ist dabei am Verbindungspunkt 33 mit dem zentral angeordneten Ankerpunkt 22 verbunden, während die Enden 32 mit der durch die seismische Masse 6 gebildeten
Rahmenstruktur verbunden sind. Die Mäanderfeder 5 umfasst drei in Y- Richtung 8 verlaufende Teilstücke 28, 29, 30, die durch in X-Richtung 7 verlaufende Teilstücke 31, 35 miteinander verbunden sind. Das erste Teilstück 28 ist dabei in der Mitte 34 mit dem Ankerpunkt 22 verbunden. Das erste und zweite Teilstück 28, 29 sind jeweils an den Enden durch die kurzen, in X-Richtung 7 verlaufenden
Teilstücke miteinander verbunden und das zweite und dritte Teilstück 29, 30 sind wiederum mit einem mittig angebrachten, in X-Richtung 7 verlaufenden Segment 35 verbunden.

Claims

Ansprüche
1. Inertialsensor (1) mit einem eine Haupterstreckungsebene (2) aufweisendem Substrat und einer über eine Federanordnung (3) mit dem Substrat verbundenen seismischen Masse (6), wobei die seismische Masse (6) durch die Federanordnung (3) derart gelagert ist, dass die seismische Masse (6) zu einer Linearschwingung und einer Drehschwingung anregbar ist, wobei die Linearschwingung entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene (2) verlaufenden X- Richtung (7) verläuft und eine Drehachse (10) der Drehschwingung entlang einer parallel zur Haupterstreckungsebene (2) verlaufenden und auf der X-Richtung (7) senkrecht stehenden Y-Richtung (8) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Federanordnung (3) eine erste und zweite Feder (4, 5) aufweist, wobei die erste und zweite Feder (4, 5) in X- Richtung jeweils eine Breite (11) und einen gegenseitigen Abstand (12) aufweisen und der Abstand (12) und die Breite (11) der beiden Federn so gewählt sind, dass eine Resonanzfrequenz der Linearschwingung im Wesentlichen gleich einer Resonanzfrequenz der Drehschwingung ist.
2. Inertialsensor (1) nach Anspruch 1, wobei jede der beiden Federn (4, 5) jeweils eine obere und eine untere Teilfeder (13, 14) aufweist, wobei die obere und untere Teilfeder (13, 14) jeweils in Y-Richtung (8) verlaufen und in einer auf der Haupterstreckungsebene (2) senkrecht stehenden Z- Richtung (9) voneinander beabstandet sind.
3. Inertialsensor (1) nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Feder (4, 5) jeweils derart gestaltet sind, dass eine Breite (15) der oberen Teilfeder (13) von einer Breite (16) der unteren Teilfeder (14) verschieden ist und/oder die obere und untere Teilfeder (13, 14) jeweils eine Höhe (17, 18) in Z-Richtung (9) aufweisen und eine Höhe (17) der oberen Teilfeder (13) von einer Höhe (18) der unteren Teilfeder (14) verschieden ist.
4. Inertialsensor (1) nach Anspruch 1, wobei jede der beiden Federn (4, 5) mäanderförmig ausgebildet ist und mindestens zwei in Y- Richtung (8) verlaufende Teilstücke (28, 29, 30) aufweist, die durch zumindest teilweise in X-Richtung (7) verlaufende Teilstücke (31, 35) miteinander verbunden sind.
5. Inertialsensor (1) nach Anspruch 4, wobei die beiden Federn (4, 5) jeweils mindestens drei in Y-Richtung (8) verlaufende Teilstücke (28, 29, 30) aufweisen, wobei ein erstes Teilstück (28) einen Verbindungspunkt (34) mit dem Substrat aufweist, der bezüglich der Y-Richtung (8) in der Mitte des ersten Teilstücks (28) angeordnet ist, wobei das erste Teilstück (29) und ein zweites Teilstück (30) an den Enden (31) miteinander verbunden sind, wobei das zweite Teilstück (29) einen Verbindungspunkt mit einem dritten Teilstück (30) aufweist, der bezüglich der Y-Richtung (8) in der Mitte des zweiten Teilstücks (29) angeordnet ist.
6. Inertialsensor (1) nach Anspruch 1, wobei die beiden Federn (4, 5) jeweils durch einen Federbalken gebildet werden, wobei jeder der beiden Federbalken insbesondere eine Höhe in Z-Richtung (9) aufweist, die größer ist als eine Breite in X-Richtung (7).
7. Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (12) und die Breite (11) der beiden Federn (4, 5) so gewählt sind, dass ein Frequenzverhalten der Linearschwingung im Wesentlichen gleich einem Frequenzverhalten der Drehschwingung ist.
8. Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federanordnung (3) bezüglich der Haupterstreckungsebene (2) von der seismischen Masse (6) umgeben ist.
9. Inertialsensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Feder (4, 5) über einen gemeinsamen Ankerpunkt (22) mit dem Substrat verbunden sind.
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