DE102009048139A1

DE102009048139A1 - Mikromechanischer Sensor

Info

Publication number: DE102009048139A1
Application number: DE200910048139
Authority: DE
Inventors: Roman Forke; Jan Prof. Mehner; Dirk Dr. Scheibner
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-04-07

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein mikromechanischer Sensor (1) mit mehreren Masse-Elementen (2) vorgeschlagen, die jeweils eine flexible Verbindung (3) zu mindestens einem anderen der Masse-Elemente (2) aufweisen. Dabei sind die Masse-Elemente (2) nur in ein und derselben Richtung gleich- und gegenphasig zueinander schwingfähig.

Description

Mikromechanische Sensoren sind an sich bekannt. Sie stellen im Vergleich zu piezoelektrischen Schwingungssensoren eine kostengünstige Alternative dar, die auch hinsichtlich der Baugröße von Vorteil ist. Im hörbaren Bereich handelt es sich unabhängig von der Fertigungstechnologie meist um Sensoren mit breitbandiger Charakteristik, d. h. sie werden in einem Frequenzbereich weit unterhalb ihrer Resonanzfrequenz betrieben, in dem sie eine äußere Beschleunigung linear übertragen. Insbesondere im Ultraschallbereich existieren neben breitbandigen auch frequenzselektive Sensoren. Diese sind besonders interessant, wenn schmal begrenzte Frequenzbereiche ausgewertet werden. Bei diesen frequenzselektiven Strukturen wird in der Regel die Eigenschwingform der ersten Eigenfrequenz ausgenutzt. Die Detektion erfolgt somit auf dieser ersten Eigen- bzw. Resonanzfrequenz des Sensors. Für eine frequenzselektive Körperschallmessung in unterschiedlichen Frequenzbereichen müssen mehrere Sensoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen entworfen und eingesetzt werden. Nachteilig ist dabei der erhöhte Flächenbedarf des Sensors, da mehrere Resonatorstrukturen benötigt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikromechanischen Sensor vorzuschlagen, der mindestens zwei Eigenfrequenzen aufweist, die zur frequenzselektiven Signalgewinnung nutzbar sind.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors besteht, wenn gemäß Anspruch 2 die flexible Verbindung jeweils in Form von einem oder mehreren Stegen ausgebildet ist.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 3 die Gesamtmasse, bestehend aus den Masse-Elementen über mindestens eine Feder mit einem Stützpunkt gekoppelt ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen Sensors besteht, wenn gemäß Anspruch 4 die Stützpunkte für mehrere Masse-Elemente durch einen Rahmen gebildet sind.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 5 die Gesamtmasse im Bereich der flexiblen Verbindung zwischen den Masse-Elementen jeweils über mindestens eine weitere Feder abgestützt ist.
Eine weitere, sehr vorteilhafte Ausführungsform besteht, wenn der mikromechanische Sensor gemäß Anspruch 6 als mikromechanische Struktur aus Silizium ausgeführt ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen erfinderischen mikromechanischen Sensor in Ruhestellung,
2 eine Draufsicht auf einen erfinderischen mikromechanischen Sensor gemäß 1 bei Anregung mit der ersten Eigenfrequenz,
3 eine Draufsicht auf einen erfinderischen mikromechanischen Sensor gemäß 1 bei Anregung mit der zweiten Eigenfrequenz und
4 eine Draufsicht auf ein Massesystem für einen mikromechanischen Sensor mit mehr als zwei Eigenfrequenzen.
In 1 ist eine Draufsicht auf einen erfinderischen mikromechanischen Sensor 1 in Ruhestellung dargestellt. Der Sensor weist eine mikromechanische Struktur auf und ist vorzugsweise aus Silizium hergestellt. Die mikromechanische Struktur besteht aus einer Gesamtmasse und flexiblen Verbindungen 3 zur Aufhängung dieser. Die Gesamtmasse umfasst hier zwei balkenförmige Masse-Elemente 2 gleicher Größe, die parallel zueinander angeordnet und mittig flexibel miteinander verbunden sind, wobei die flexible Verbindung 3 hier durch zwei parallele Stege ausgeführt ist.
Zur Abstützung der Gesamtmasse, bestehend aus den beiden Masse-Elementen 2, insbesondere zur Sicherstellung einer linearen Bewegung dieser, ist eine äußere Federaufhängung vorgesehen. Dabei ist die Gesamtmasse an den äußeren Eckpunkten über eine Feder 4 mit einem oder mehreren Stützpunkten 5 verbunden. Die Stützpunkte 5 können durch einen äußeren Rahmen gebildet sein.
In dem Bereich zwischen den beiden Stegen, die die flexible Verbindung 3 zwischen den beiden Masse-Elementen 2 bilden, kann die Gesamtmasse noch zusätzlich über mindestens eine weitere Feder 6 an einen weiteren Stützpunkt 5, wie in 1 dargestellt, angekoppelt sein. Diese weitere Federaufhängung ist allerdings nicht zwingend erforderlich. Der dargestellte Sensor 1 hat zwei Eigenfrequenzen, die zur Detektion einer translatorischen Bewegung genutzt werden können.
2 zeigt die Auslenkung der beiden Masse-Elemente 2 bei Anregung mit der ersten Eigenfrequenz, wobei sich die beiden Masse-Elemente 2 gleichphasig in dieselbe Richtung bewegen. Dies ist auch an der Ausrichtung der Federn 4 und 6 erkennbar.
Bei der Anregung des Sensors 1 auf der zweiten Eigenfrequenz ist die translatorische Bewegung der beiden Masse-Elemente 2 gegenphasig, was im Wesentlichen durch die flexible Verbindung ermöglicht wird. Es ist zu erkennen, dass die beiden Stege sich ähnlich der Form eines Parallelogramms schräg stellen. Über die Federn 6 im Bereich der flexiblen Verbindung 3 wird zusätzlich die lineare Bewegung der Masse-Elemente 2 sichergestellt.
Durch gezielte Dimensionierung der Federaufhängungen mit den Federn 4 und 6 lassen sich beide Eigenfrequenzen auf gewünschte Zielfrequenzen einstellen.
Mehr als zwei Eigenfrequenzen lassen sich mit einer mikromechanischen Struktur erreichen, die ein Massesystem gemäß 4 aufweist. Dieses Massesystem umfasst drei Masse-Elemente 2, die in entsprechender Weise wie in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel miteinander flexibel verbunden und über Federn aufgehängt sind. Daher wird an dieser Stelle auf die nochmalige Beschreibung der bereits oben ausgeführten Details des Sensors verzichtet.

Claims

Mikromechanischer Sensor (1) mit mehreren Masse-Elementen (2), die jeweils eine flexible Verbindung (3) zu mindestens einem anderen der Masse-Elemente (2) aufweist, wobei die Masse-Elemente (2) nur in ein und derselben Richtung gleich- und gegenphasig zueinander schwingfähig sind.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Verbindung (3) jeweils in Form von einem oder mehreren Stegen ausgebildet ist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmasse, bestehend aus den Masse-Elementen (2) über mindestens eine Feder (4) mit einem Stützpunkt (5) gekoppelt ist.
Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützpunkte (5) durch einen Rahmen gebildet sind.
Mikromechanischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmasse im Bereich der flexiblen Verbindung (3) zwischen den Masse-Elementen (2) jeweils über mindestens eine weitere Feder (6) abgestützt ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als mikromechanische Struktur aus Silizium ausgeführt ist.
Mikromechanischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser als frequenzselektiver Körperschallsensor unter Nutzung mehrerer Eigenfrequenzen eingesetzt wird.