WO2007045208A2 - Vibration sensor having a micromechanically produced vibration structure - Google Patents

Vibration sensor having a micromechanically produced vibration structure Download PDF

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WO2007045208A2
WO2007045208A2 PCT/DE2006/001750 DE2006001750W WO2007045208A2 WO 2007045208 A2 WO2007045208 A2 WO 2007045208A2 DE 2006001750 W DE2006001750 W DE 2006001750W WO 2007045208 A2 WO2007045208 A2 WO 2007045208A2
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vibration sensor
measuring system
vibration
sensor
micromechanical
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Jens Makuth
Dirk Scheibner
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means

Definitions

  • the invention relates to a vibration sensor and a method for producing such a vibration sensor.
  • Such a vibration sensor is used for example in automation and drive technology.
  • the invention fertil can here z. B. for condition monitoring wear-prone components.
  • the invention can be used to monitor manufacturing processes that can be disturbed by a vibrating environment.
  • the frequency range up to 10 kHz is evaluated spectrally in general.
  • the time signal is detected by means of a broadband sensor and evaluated by means of a subsequent Fourier analysis.
  • frequency selec- Tive sensors are used, which directly perform a spectral filtering of a narrow frequency band.
  • US Pat. No. 6,412,131 B1 discloses a system produced by microsystems, which uses mechanical sensors for measuring input signals, such as, for example, Has vibrations. Such a MEMS-based system can be implemented as a single chip system.
  • Object of the present invention is to allow the simplest possible and cost-effective measurement of jerky suggestions.
  • the object is achieved by a vibration sensor having at least one first micromechanically produced oscillatable structure, which can be excited by a pulse-shaped excitation and has a first resonance frequency in the ultrasonic range.
  • the object is achieved by a method for producing a vibration sensor, in which at least one first oscillatable structure, which can be excited by a shock-shaped excitation and has a first resonant frequency in the ultrasonic range, is manufactured micromechanically.
  • Micromechanics refers to an area of microtechnology that deals with mechanical structures in the micrometer range.
  • known processes are frequently used from semiconductor process technology, in particular microchip manufacturing.
  • the invention is based on the finding that shock-shaped excitations, which generate a broadband frequency spectrum, can be detected particularly well in the ultrasonic range.
  • Ultrasound range is understood here and in the entire document as the frequency range between 20 and 200 kHz.
  • the advantage of detecting impulsive excitations by measuring in the ultrasonic range is that disturbing background noise in the spectrum of the excitation at such high frequencies has already decayed.
  • Störsig- signals arise for example by structural resonance of the measurement object.
  • only the signals of interest are thus detected, by means of which a condition monitoring of components subject to wear can be carried out. This allows a simplified evaluation, since no spectral distinction in measurement signal and superimposed background noise is necessary.
  • Examples of typical sound emission sources in the ultrasonic range are bearings with damaged raceway, lubrication problems, tool wear or breakage.
  • such a vibration sensor for the ultrasonic range is manufactured micromechanically.
  • Micromechanically manufactured vibration sensors have e.g. compared to piezoelectric sensors has the advantage that the geometric parameters of the corresponding oscillatory structures can be realized for example by processing methods such as lithography with very low tolerances.
  • processing methods such as lithography with very low tolerances.
  • the possibility of setting these parameters within very narrow tolerances also makes it possible to dimension the resonance frequency and the bandwidth of such a vibratable structure extremely precisely.
  • the micromechanical sensors can consequently also be adapted very easily to a specific application.
  • micromechanically fabricated vibrating structures is significantly smaller than the size of conventional piezoelectric Sensors.
  • a high degree of integration is possible if several oscillating structures are to be integrated on a vibration sensor.
  • the vibration sensor is provided for measuring structure-borne noise.
  • Structure-borne sound refers to sound that propagates in a solid body. Examples of such a body are e.g. In the field of automation and drive technology, electrical machines or their bearings that trigger a sound wave due to self-excited or externally excited shocks. Such a sound wave is only acoustically perceptible when it leaves the corresponding solid.
  • the first oscillatable structure is made of a wafer of semiconducting material.
  • silicon is suitable for cost reasons.
  • the first oscillatable structure by means of Siliziumbulk- mechanics and / or silicon surface micromechanics is made.
  • Siliziumbulkmechanik detached mechanical structures are obtained from a silicon wafer by • sided etching.
  • the silicon surface micromechanics distinguishes that the wafer surface is mechanically structured by several etching and deposition processes.
  • micromechanical structures can be combined with electrical circuits on a single microchip.
  • the oscillatable structure can be implemented here together with electronics on a chip, the electronics being provided for evaluating the measurement results.
  • the first oscillatable structure it may be advantageous, in an expedient embodiment of the invention, to execute the first oscillatable structure so that it can oscillate perpendicularly to the wafer plane.
  • the first oscillatable structure oscillatable parallel to the wafer plane it may be expedient to make the first oscillatable structure oscillatable parallel to the wafer plane.
  • the direction of oscillation of the first oscillatable structure can be selected with very many degrees of freedom.
  • the oscillation sensor has means for determining the collision-type excitation on the basis of a measurement of the electrical capacitance of the first oscillatable structure in an excited state.
  • the first oscillatory structure can be designed such that it forms a capacitor whose capacity depends on the deflection of the
  • the relationship between the capacity of the vibratable structure and its deflection can be adjusted by the geometry of the structure. From a measurement of the capacitance of the first oscillatable structure, the deflection of the oscillatable structure can be determined in this way, in order in turn to draw conclusions about the pulsed excitation.
  • a corresponding electronics which makes such an evaluation, can be especially at a micro-mechanical implementation of the vibration sensor on a semiconductor chip very well integrate.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the vibration sensor has at least one second micromechanically produced oscillatory structure with a second resonance frequency in the ultrasonic range. If the first resonance frequency differs from the second resonance frequency, two measurement frequencies in the ultrasonic range are available for later evaluation.
  • the first oscillatable structure has a first measuring range which partially overlaps with a second measuring range of the second oscillatable structure.
  • the overlap may e.g. be adjusted by appropriate choice of the quality of the oscillatory structures. If the first and second oscillatable structures have a relatively low quality, an overlapping of the measuring ranges can be achieved even if the first and second resonant frequencies are relatively far apart. In this way it is possible to cover a relatively large frequency spectrum in the ultrasonic range with two oscillatory structures.
  • more than two oscillatable structures with more than two resonance frequencies for measuring impulsive excitation are implemented on the vibration sensor.
  • an entire array of micromechanically manufactured oscillatable structures can be implemented on a single chip in order to have as large a frequency spectrum as possible for the subsequent evaluation.
  • the vibration sensor has a third oscillatable structure whose vibration direction is substantially orthogonal to both the vibration direction of the first and to the vibration direction of the second structure.
  • a complete three-dimensional vector space is spanned by the oscillation directions of the first, second and third oscillatable structures. This enables the detection of shock-shaped excitations from all three spatial dimensions.
  • a particularly simple vibration measurement can be realized with a micromechanical measuring system, comprising at least one vibration sensor according to one of the embodiments described above and electronics for conditioning a measurement signal detected by the vibration sensor.
  • vibration sensor and electronics can be integrated in a common housing, so that there is a very compact measuring system and the wiring can be kept extremely low. As a result, parasitic effects that can falsify the measurement, largely avoided.
  • such electronics on components for analog and digital signal processing.
  • a signal obtained with the vibration sensor is first amplified with analog modules and then evaluated by means of digital logic modules for determining characteristic values such as rms value, peak value, curtosis, crest factor, etc.
  • characteristic values such as rms value, peak value, curtosis, crest factor, etc.
  • the measuring system has an energy source for supplying the micromechanical system with electrical energy.
  • an energy source for supplying the micromechanical system with electrical energy can be obtained, for example, from a micro-mechanical measuring system in the micro-mechanical measuring system. integrated battery.
  • a regenerative energy source such as, for example, a solar cell for supplying energy.
  • thermal generators or vibratory transducers based on the piezoelectric or electrodynamic principle, which obtain the energy for supplying the micromechanical measuring system from the environment of the system.
  • the quantities detected and / or evaluated by means of the measuring system are to be sent to an evaluation unit, for example a maintenance station, which is provided for monitoring a system in which the measuring system is used.
  • an evaluation unit for example a maintenance station, which is provided for monitoring a system in which the measuring system is used.
  • an embodiment of the micromechanical measuring system is advantageous in which the measuring system has a transmitting device for the wireless transmission of the processed by the electronics measurement signal.
  • Modern semiconductor technology methods enable a particularly compact and cost-effective embodiment of the micromechanical measuring system, wherein the vibration sensor and the electronics are integrated in particular monolithically on a common substrate.
  • methods such as silicon bulk mechanics or silicon surface micromechanics can be used if the substrate also comprises silicon.
  • a monolithic integration of electronics and vibration sensor on a single chip makes the wide use of the micrometer system for permanent monitoring of engines, gearboxes, generators and other
  • an embodiment of the micromechanical measuring system is advantageous in which the vibration sensor and the electronics are arranged on different carriers, which are integrated in a common housing.
  • the individual carriers can be manufactured from printed circuit board material and stacked vertically one above the other to reduce the volume of construction.
  • the micromechanical measuring system has sensor elements for measuring further measured variables.
  • these may be temperature measurements or acceleration measurements. If such sensors are integrated into the micromechanical measuring system, a large number of possible operating parameters for condition monitoring can be detected with the aid of a comparatively small component.
  • a sensor network comprises a plurality of measuring systems and a central monitoring unit which has a receiving device for receiving and an evaluation unit for evaluating the processed measuring signals.
  • the individual measuring systems of the network can be very easily and without considerable effort connected to the evaluation.
  • Such a sensor network can also be easily extended by additional measuring systems if additional oscillatory components are added to a system.
  • the sensor network can be provided in a further embodiment of the invention for particular permanent monitoring of used in industrial processes, wear-prone components. Measuring systems are attached to the corresponding components, which, for example, wirelessly evaluate the result of the signals recorded with the aid of the vibration sensors and processed by the electronics.
  • a further embodiment of the invention in which the sensor network is provided for the particular permanent stability monitoring of buildings.
  • the measuring systems can be installed in places that are classified as critical for static reasons. Acoustic emissions in the ultrasonic range, which indicate fatigue-bearing parts of the building to be monitored, are detected early by means of the measuring systems and can be monitored by means of the evaluation unit and / or the electronics integrated in the measuring systems.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a vibration sensor with an array of oscillatable structures with different resonance frequencies
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a micromeasurement system for the wired connection to a sensor network
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a micromeasurement system for the wireless connection to a sensor network
  • FIG. 13 shows a sensor network for structure-borne noise measurement on a building.
  • a vibration sensor with a first, perpendicular to the wafer plane oscillatable structure.
  • a first chip 3 having a seismic mass 1 has been produced from a first wafer and is movably supported by spring elements 2.
  • This first chip 3 has been connected by means of silicon fusion bonding to a second chip 4 which has been produced on a second wafer.
  • the Silicon Fusion Bonding allows the first chip 3 and the process second chip 4 initially on separate wafers and then to bond them together, so that a solid bond 5 between the two semiconductor chips 3,4 is formed.
  • the second chip 4 is, for example, mounted on a circuit carrier 6 via a solder connection.
  • the preferred direction of the illustrated oscillatable structure is in this case perpendicular to the wafer plane. This is also called an out-of-plane arrangement.
  • the seismic mass 1 is moved relative to the second wafer 4.
  • the partial structures fabricated on the first and second chip form an electrical capacitance whose value is dependent on the deflection of the seismic mass 1 relative to the second chip 4.
  • This capacitance change can e.g. be measured by the fact that on the first and second chip 3.4 metallized contacts 7 are applied, which are contacted via bonding wires 8 to the circuit substrate 6.
  • an amplifier circuit with which the Umladeströme generated by the dynamic capacitance changes can be amplified.
  • an evaluation circuit is provided on the circuit carrier 6, with which the shock-shaped excitations, which excite the vibration sensor shown to vibrate, can be determined on the basis of the measured Umladeströme.
  • the measuring range of the vibration sensor shown is in the ultrasonic range.
  • the resonant frequency of the oscillatory structure has been dimensioned to the ultrasonic range.
  • a dimensioning of the resonance frequency can be achieved for example by appropriate design of the spring element 2 and by selecting the seismic mass 1.
  • FIG. 2 shows a vibration sensor with a second structure which can be oscillated parallel to the wafer plane.
  • the illustrated vibration sensor has likewise been produced from two silicon wafers with the aid of silicon bulk mechanics or silicon surface micromechanics and serves to determine jerky excitations in the ultrasonic range. For this purpose, first a pit 9 has been etched in a first wafer.
  • a second wafer was bonded by silicon fusion bonding on the first wafer and thinned to the desired structural height.
  • the second wafer was partially completely etched by dry etching (DRIE), so that a freely movable seismic mass 1 is formed above the pit 9.
  • DRIE dry etching
  • the preferred direction for the vibration of such a vibratory structure is parallel to the wafer plane.
  • Such an arrangement is also referred to as in-plane arrangement.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a vibration sensor with an array of oscillatable structures 11... 18 with different resonance frequencies, wherein all resonance frequencies lie in the ultrasonic range.
  • the respective seismic masses 1 of the individual oscillatable structures 11... 18 of the array are shown schematically. All oscillatable structures 11 ... 18 are realized on a single silicon chip.
  • the resonant frequency of each individual oscillatory structure can be adjusted.
  • a first oscillatable structure 11 has the largest seismic mass 1 and thus has the lowest resonance frequency.
  • the structure has eight seismic masses 1, wherein the seismic masses continuously decrease from the first oscillatable structure 11 via a second and third oscillatable structure 12, 13 up to an eighth oscillatable structure 18.
  • the resonance frequencies of the individual oscillatable structures 11... 18 of the array are arranged in a stepped manner in order to cover a complete frequency range in the ultrasound to be able to cover richly.
  • the illustrated eight oscillatable structures 11... 18 of the array cover a frequency range between 30 and 100 kHz, the individual resonant frequencies differing by 10 kHz in each case.
  • FIG. 4 shows the frequency response of the vibration sensor with the array of oscillatable structures 11 ... 18 with different resonance frequencies, which is shown in FIG.
  • the quality of these individual oscillatable structures of the array has been selected such that their respective frequency ranges overlap. In this way, a frequency window in the ultrasonic range can be detected almost continuously.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a vibration sensor with an array of oscillatable structures with different directions of vibration.
  • the preferred directions of the two oscillatable structures being oriented orthogonally to one another.
  • shock-shaped excitations can be detected, wherein a resolution with respect to two spatial dimensions can be achieved.
  • the oscillation measuring system shown here could be supplemented by a further oscillatable structure whose preferred direction is oriented orthogonally to the oscillation direction of both oscillatory structures shown here.
  • the vibration sensor comprises a comb-like seismic mass 1, which engages on two sides at least partially in measurement electrons 10, which are also comb-like.
  • the seismic mass 1 is on four spring elements 2 hung up.
  • the resonant frequency of the illustrated vibration sensor in the ultrasonic range is adjusted over the length of the spring elements 2 and the weight of the seismic mass 1.
  • the signal is obtained by evaluating the capacitance change between the seismic mass 1 and the measuring electrons.
  • the dimension of such a vibratable structure is about 500 x 500 microns.
  • the measuring system 23 comprises a vibration sensor 19, which corresponds to one of the previously described embodiments and is shown here only schematically. Furthermore, the micromechanical measuring system 23 has an analog signal processor 20 and a digital signal processor 21. All three components 19, 20, 21 are on a common substrate 22, which may consist of silicon or ceramic applied. On the substrate 22 are copper tracks, with which the vibration sensor 19 and the analog signal processing 20 is connected via bonding wires 8. The analog signal processing 20, the gain and
  • the digital signal processing 21 is connected downstream.
  • One or more chips provided for digital signal processing are applied to the substrate 22 with the aid of the so-called flip-chip bonding technology.
  • the chips of the digital signal processing 21 are connected with their electrically active side via so-called bumps 29 with the substrate 22 serving as a circuit carrier.
  • the flip-chip bonding technology represents an elegant alternative to wire bonding technology, as it allows for an even more compact design and in general a higher reliability and lower susceptibility to interference can be achieved.
  • the illustrated microsystem measuring system can finally be housed in an IC housing customary in microelectronics.
  • the illustrated micromechanical measuring system represents only one exemplary embodiment of a structure-borne sound measuring system, which has an integrated signal processing.
  • Micromechanical acoustic sensors, analog signal processing 20 and digital signal processing 21 can both be realized as discrete components on discrete silicon chips and then electrically connected to one another by means of a suitable bonding technique as well as monolithically integrated on a single chip.
  • FIG. 8 shows a micromechanical measuring system 23 as a printed circuit board stack.
  • a vibration sensor 19 an analog signal processing 20 and a digital signal processing 21 are implemented on individual carriers, wherein the carriers are stacked to reduce the volume of construction.
  • a base material for the stack construction board material (FR4) or ceramic can be used as a base material for the stack construction board material (FR4) or ceramic.
  • FIG. 9 shows a micromechanical measuring system 23 in Star-Flex printed circuit board technology.
  • a vibration sensor 19 an analog signal processor 20 and a digital signal processor 21 are also implemented to reduce the overall build volume on stacked carriers using Star-Flex printed circuit board technology.
  • the connection between the individual functional layers happens here via flexible printed circuit boards, in contrast to FIG. 8, where the connection of the individual functional layers has been realized via a rigid frame.
  • the micromechanical measuring system 23 has a wired communication interface 24 and a wired power supply interface 25. About the communication interface parts 24, the micro-measuring system 23 with more
  • Vibrational sensors or micro-measuring systems communicate and connected to a central evaluation unit.
  • the energy supply interface 25 can be used for the evaluation tion of the signals detected with the vibration sensor necessary energy are supplied.
  • the illustrated micromechanical measuring system 23 is suitable for a wired sensor network.
  • the communication interface 24 and the power supply interface 25 may be implemented as a common interface.
  • a cable used for both energy and data transmission is then connected to such a common interface.
  • FIG. 11 shows a schematic representation of a micrometer system for the wireless connection to a sensor network.
  • the micromechanical measuring system 23 comprises a transmitting device 27 in the form of an antenna, via which the measuring system 23 can communicate with further measuring systems 23 of the sensor network and / or with a central evaluation or monitoring unit.
  • a completely wireless realization of such a sensor network is achieved in that an energy source 26, for example in the form of a battery, is integrated in the measuring system 23.
  • FIG. 12 shows a sensor network for body sound measurement on a machine tool.
  • a cost-effective self-sufficient micrometer system 23 according to one of the embodiments described above, all sound sources of the machine tool, such as spindles, drives, bearings and tools, can be continuously monitored.
  • micromechanical measuring systems 23 for detecting the radiated structure-borne noise which communicate with a central monitoring unit 28, are respectively mounted at the critical points.
  • the central monitoring unit 28 evaluates the signals transmitted to it and can therefore be used for maintenance purposes. be.
  • a premature tool failure can be detected prematurely, for example, by the structure-borne noise measurement and thus prevented.
  • a wireless sensor technology as can be realized, for example, with a micromechanical measuring system according to FIG. 11, is particularly advantageous in tools with a rotatable tool holder and is often the only useful embodiment.
  • FIG. 13 shows a sensor network for structure-borne noise measurement on a building.
  • individual micromechanical measuring systems 23 with wireless communication capability and self-sufficient energy supply are attached to critical points of the building for statics.
  • Structural damage to buildings can be detected with the aid of the vibration sensors integrated in the measuring system and sent to a central monitoring unit 28 via a wireless transmitting device.
  • a sensor network could be used to detect an overload by a snow load. If this is detected and sent to the monitoring unit 28, a corresponding alarm can be triggered via the monitoring unit 28 and the building can be cleared early.
  • Such monitoring by means of a sensor network is also applicable to glass fiber structures of wind turbine blades, which are also subject to a strong mechanical stress.

Abstract

The invention relates to a vibration sensor (19) and to a method for producing said type of vibration sensor (19). According to the invention, the vibration sensor (19) comprises at least one first micromechanically produced vibration structure which can be excited by push-like excitation and which comprises a first resonance frequency in the ultrasound range in order to measure the push-like excitation in the most economical and simple way possible.

Description

Beschreibungdescription
Schwingungssensorvibration sensor
Die Erfindung betrifft einen Schwingungssensor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schwingungssensors.The invention relates to a vibration sensor and a method for producing such a vibration sensor.
Ein derartiger Schwingungssensor kommt beispielsweise in der Automatisierungs- und Antriebstechnik zum Einsatz . Die Erfin- düng kann hier z. B. zur Zustandsüberwachung verschleißbehafteter Komponenten eingesetzt werden. Darüber hinaus kann die Erfindung zur Überwachung von Fertigungsprozessen genutzt werden, die durch eine schwingende Umgebung gestört werden können .Such a vibration sensor is used for example in automation and drive technology. The invention fertil can here z. B. for condition monitoring wear-prone components. In addition, the invention can be used to monitor manufacturing processes that can be disturbed by a vibrating environment.
Produktionsausfälle durch unerwartete Maschinendefekte können je nach Branche und Art des Prozesses direkte Schäden und Folgeschäden in erheblicher Höhe verursachen. Um die Zuverlässigkeit von Produktions- und Werkzeugmaschinen, verfah- renstechnischer Anlagen, Transportsystemen und ähnlichem zu erhöhen und somit Ausfallzeiten dieser Produktionsmittel zu reduzieren, wird daher einer frühzeitigen Verschleiß- und Defekterkennung immer mehr Bedeutung beigemessen.Production downtime due to unexpected machine defects can cause significant direct and consequential damage, depending on the industry and type of process. In order to increase the reliability of production and machine tools, process engineering systems, transport systems and the like, and thus to reduce downtime of these production means, premature wear and defect detection is becoming increasingly important.
Beispielsweise bei elektrischen Maschinen kündigt sich ein Ausfall des Produktionsmittel oder einer seiner Komponenten (z.B. der Lager) häufig durch eine Veränderung des Schwingungsverhaltens an. Durch eine Vibrationsanalyse können diese Veränderungen detektiert werden. Auf diese Art und Weise kön- nen betroffene Komponenten vorzeitig ausgetauscht werden, bevor es zum Ausfall des Gesamtsystems und somit zu einem längeren Produktionsstillstand kommt.For example, in electric machines, failure of the production equipment or one of its components (e.g., the bearings) is often manifested by a change in vibration behavior. By a vibration analysis, these changes can be detected. In this way, affected components can be replaced prematurely before it comes to the failure of the entire system and thus to a longer production downtime.
In der Schwingungs- bzw. Vibrationsanalyse wird im Allgemei- nen der Frequenzbereich bis 10 kHz spektral ausgewertet. Üblicher Weise wird das Zeitsignal mit Hilfe eines breitbandi- gen Sensors erfasst und mittels einer nachfolgenden Fourier- Analyse ausgewertet. Zum Teil kommen hier auch frequenzselek- tive Sensoren zum Einsatz, die direkt eine spektrale Filterung eines schmalen Frequenzbandes vornehmen.In the vibration or vibration analysis, the frequency range up to 10 kHz is evaluated spectrally in general. Usually, the time signal is detected by means of a broadband sensor and evaluated by means of a subsequent Fourier analysis. In some cases, frequency selec- Tive sensors are used, which directly perform a spectral filtering of a narrow frequency band.
Aus der US 6,412,131 Bl ist ein mikrosystemtechnisch herge- stelltes System bekannt, welches mechanische Sensoren zur Messung von EingangsSignalen wie z.B. Vibrationen aufweist. Ein solches MEMS-basiertes System kann als Einzelchipsystem ausgeführt werden .US Pat. No. 6,412,131 B1 discloses a system produced by microsystems, which uses mechanical sensors for measuring input signals, such as, for example, Has vibrations. Such a MEMS-based system can be implemented as a single chip system.
Beispielsweise zur Lagerüberwachung, zur Detektion von Leckage, Kavitation, Glasbruch oder elektrischer Entladung ist darüber hinaus eine Messung kurzer stoßartiger Anregungen von Interesse, die ein breitbandiges FrequenzSpektrum besitzen. Derartige Anregungen werden auch mit dem Stichwort „acoustic emission" bezeichnet.For example, for bearing monitoring, for the detection of leakage, cavitation, glass breakage or electrical discharge is also a measurement of short impulsive excitations of interest, which have a broadband frequency spectrum. Such suggestions are also referred to as "acoustic emission".
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst einfache und kostengünstige Messung stoßförmiger Anregungen zu ermöglichen.Object of the present invention is to allow the simplest possible and cost-effective measurement of jerky suggestions.
Die Aufgabe wird durch einen Schwingungssensor mit mindestens einer ersten mikromechanisch gefertigten schwingfähigen Struktur gelöst, die durch eine stoßförmige Anregung anregbar ist und eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist.The object is achieved by a vibration sensor having at least one first micromechanically produced oscillatable structure, which can be excited by a pulse-shaped excitation and has a first resonance frequency in the ultrasonic range.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schwingungssensors gelöst, bei dem mindestens eine erste schwingfähige Struktur, die durch eine stoßförmige Anre- gung anregbar ist und eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist, mikromechanisch gefertigt wird.Furthermore, the object is achieved by a method for producing a vibration sensor, in which at least one first oscillatable structure, which can be excited by a shock-shaped excitation and has a first resonant frequency in the ultrasonic range, is manufactured micromechanically.
Die Mikromechanik bezeichnet einen Bereich der Mikrotechnik, der sich mit mechanischen Strukturen im Mikrometerbereich be- fasst. Bei der mikromechanischen Fertigung werden häufig aus der Halbleiterprozesstechnik, insbesondere der Mikrochipfer- tigung, bekannte Verfahren eingesetzt. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass stoßförmige Anregungen, die ein breitbandiges FrequenzSpektrum erzeugen, besonders gut im Ultraschallbereich zu detektieren sind. Unter Ultraschallbereich wird hier sowie im gesamten Dokument der Frequenzbereich zwischen 20 und 200 kHz verstanden. Der Vorteil einer Detektion stoßförmiger Anregungen durch eine Messung im Ultraschallbereich besteht darin, dass ein störendes Hintergrundrauschen im Spektrum der Anregung bei derartig hohen Frequenzen bereits abgeklungen ist. Derartige Störsig- nale entstehen beispielsweise durch Strukturresonanzen des Messobjektes. Bei einer Messung im Ultraschallbereich werden somit ausschließlich die interessierenden Signale detektiert, anhand derer eine Zustandsüberwachung verschleißbehafteter Komponenten durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht eine vereinfachte Auswertung, da keine spektrale Unterscheidung in Messsignal und überlagertes Hintergrundrauschen notwendig ist.Micromechanics refers to an area of microtechnology that deals with mechanical structures in the micrometer range. In micromechanical production, known processes are frequently used from semiconductor process technology, in particular microchip manufacturing. The invention is based on the finding that shock-shaped excitations, which generate a broadband frequency spectrum, can be detected particularly well in the ultrasonic range. Ultrasound range is understood here and in the entire document as the frequency range between 20 and 200 kHz. The advantage of detecting impulsive excitations by measuring in the ultrasonic range is that disturbing background noise in the spectrum of the excitation at such high frequencies has already decayed. Such Störsig- signals arise for example by structural resonance of the measurement object. In the case of a measurement in the ultrasound range, only the signals of interest are thus detected, by means of which a condition monitoring of components subject to wear can be carried out. This allows a simplified evaluation, since no spectral distinction in measurement signal and superimposed background noise is necessary.
Beispiele für typische Schallemissionsquellen im Ultraschall- bereich sind Lager mit geschädigter Laufbahn, Schmierungsprobleme, Werkzeugverschleiß oder -bruch.Examples of typical sound emission sources in the ultrasonic range are bearings with damaged raceway, lubrication problems, tool wear or breakage.
Erfindungsgemäß wird ein derartiger Schwingungssensor für den Ultraschallbereich mikromechanisch gefertigt. Mikromechanisch gefertigte Schwingungssensoren haben z.B. gegenüber piezoelektrischen Sensoren den Vorteil, dass die geometrischen Parameter der entsprechenden schwingfähigen Strukturen beispielsweise durch Bearbeitungsmethoden wie der Lithographie mit sehr geringen Toleranzen realisiert werden können. Durch die Möglichkeit, diese Parameter in sehr engen Toleranzen festzulegen, kann auch die Resonanzfrequenz und die Bandbrei- te einer derartigen schwingfähigen Struktur äußerst exakt dimensioniert werden. Hierdurch können die mikromechanischen Sensoren folglich auch sehr leicht an eine konkrete Applika- tion angepasst werden.According to the invention, such a vibration sensor for the ultrasonic range is manufactured micromechanically. Micromechanically manufactured vibration sensors have e.g. compared to piezoelectric sensors has the advantage that the geometric parameters of the corresponding oscillatory structures can be realized for example by processing methods such as lithography with very low tolerances. The possibility of setting these parameters within very narrow tolerances also makes it possible to dimension the resonance frequency and the bandwidth of such a vibratable structure extremely precisely. As a result, the micromechanical sensors can consequently also be adapted very easily to a specific application.
Die Größe mikromechanisch gefertigter Schwingstrukturen ist wesentlich geringer als die Größe üblicher piezoelektrischer Sensoren. Damit wird ein hohes Maß an Integration möglich, wenn mehrere Schwingstrukturen auf einen Schwingungssensor integriert werden sollen.The size of micromechanically fabricated vibrating structures is significantly smaller than the size of conventional piezoelectric Sensors. Thus, a high degree of integration is possible if several oscillating structures are to be integrated on a vibration sensor.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingungssensor zur Messung von Körperschall vorgesehen. Unter Körperschall wird Schall verstanden, der sich in einem festen Körper ausbreitet. Beispiele für einen derartigen Körper sind z.B. im Bereich der Automatisierungs- und Antriebs- technik elektrische Maschinen bzw. deren Lager, die durch selbst- oder fremderegte Stöße eine Schallwelle auslösen. Eine derartige Schallwelle ist erst dann akustisch wahrnehmbar, wenn sie den entsprechenden Festkörper verlässt.In an advantageous embodiment of the invention, the vibration sensor is provided for measuring structure-borne noise. Structure-borne sound refers to sound that propagates in a solid body. Examples of such a body are e.g. In the field of automation and drive technology, electrical machines or their bearings that trigger a sound wave due to self-excited or externally excited shocks. Such a sound wave is only acoustically perceptible when it leaves the corresponding solid.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die erste schwingfähige Struktur aus einem Wafer aus halbleitendem Material gefertigt. In der Halbleiterindustrie existiert eine Vielzahl technologischer Prozesse, die eine exakte Herstellung kleinster schwingfähiger Strukturen erlauben. Als Wafer- material bietet sich hierbei aus Kostengründen Silizium an.In an advantageous embodiment of the invention, the first oscillatable structure is made of a wafer of semiconducting material. In the semiconductor industry, there are a large number of technological processes that permit the exact production of the smallest vibratory structures. As a wafer material, silicon is suitable for cost reasons.
Jedoch ist auch die Verwendung eines Substratmaterials aus Galiummarsenit oder Siliziumkarbid etc. denkbar.However, the use of a substrate material of Galiummarsenit or silicon carbide, etc. is also conceivable.
Silizium zeichnet sich neben der vergleichsweise günstigen Materialkosten auch durch seine sehr einfache Prozessierbar- keit aus. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist daher die erste schwingfähige Struktur mittels Siliziumbulk- mechanik und/oder Siliziumoberflächenmikromechanik gefertigt. Bei der Siliziumbulkmechanik werden aus einem Siliziumwafer durch beidseitiges Ätzen freistehende mechanische Strukturen gewonnen. Die Siliziumoberflächenmikromechanik zeichnet aus, dass die Waferoberfläche durch mehrere Ätz- und Abscheidungs- vorgänge mechanisch strukturiert wird.In addition to the comparatively low material costs, silicon is also characterized by its very easy processability. In an advantageous embodiment of the invention, therefore, the first oscillatable structure by means of Siliziumbulk- mechanics and / or silicon surface micromechanics is made. In the Siliziumbulkmechanik detached mechanical structures are obtained from a silicon wafer by sided etching. The silicon surface micromechanics distinguishes that the wafer surface is mechanically structured by several etching and deposition processes.
Bei derartigen Verfahren lassen sich auch mikromechanische Strukturen zusammen mit elektrischen Schaltungen auf einen einzigen Mikrochip vereinigen. Beispielsweise kann zweckmäßi- gerweise hier die schwingfähige Struktur zusammen mit einer Elektronik auf einem Chip implementiert werden, wobei die Elektronik zur Auswertung der Messergebnisse vorgesehen ist. Durch eine derartige Integration lassen sich Fertigungskosten reduzieren und Lösungen realisieren, bei denen auf Grund der extrem geringen Trennung elektrischer und mechanischer Komponenten parasitäre Effekte bei der Messung bzw. deren Auswertung nahezu vernachlässigt werden können.In such methods also micromechanical structures can be combined with electrical circuits on a single microchip. For example, appropriate In this case, the oscillatable structure can be implemented here together with electronics on a chip, the electronics being provided for evaluating the measurement results. By such an integration, manufacturing costs can be reduced and solutions can be achieved in which due to the extremely small separation of electrical and mechanical components parasitic effects in the measurement or their evaluation can be almost neglected.
Je nach Richtung des abgestrahlten Schalls kann es vorteilhaft sein, in einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung die erste schwingfähige Struktur senkrecht zur Waferebene schwingfähig auszuführen.Depending on the direction of the radiated sound, it may be advantageous, in an expedient embodiment of the invention, to execute the first oscillatable structure so that it can oscillate perpendicularly to the wafer plane.
Alternativ kann es in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig sein, die erste schwingfähige Struktur parallel zur Waferebene schwingfähig zu gestalten. Insbesondere mit Hilfe der Siliziumbulkmechanik und/oder Silizium- oberflächenmikromechanik ist die Schwingungsrichtung der ers- ten schwingfähigen Struktur mit sehr vielen Freiheitsgraden wählbar .Alternatively, in a further advantageous embodiment of the invention, it may be expedient to make the first oscillatable structure oscillatable parallel to the wafer plane. In particular with the aid of silicon bulb mechanics and / or silicon surface micromechanics, the direction of oscillation of the first oscillatable structure can be selected with very many degrees of freedom.
Eine sehr einfache Detektion stoßförmiger Anregungen kann erzielt werden, wenn bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Schwingungssensor Mittel zur Bestimmung der stoßförmigen Anregung auf Basis einer Messung der elektrischen Kapazität der ersten schwingfähigen Struktur in einem angeregten Zustand aufweist. Die erste schwingfähige Struktur lässt sich derart ausgestalten, dass sie einen Kondensator bildet, dessen Kapazität abhängig von der Auslenkung derA very simple detection of impulsive excitations can be achieved if, in an advantageous embodiment of the invention, the oscillation sensor has means for determining the collision-type excitation on the basis of a measurement of the electrical capacitance of the first oscillatable structure in an excited state. The first oscillatory structure can be designed such that it forms a capacitor whose capacity depends on the deflection of the
Struktur ist. Der Zusammenhang zwischen der Kapazität der schwingfähigen Struktur und dessen Auslenkung lässt sich über die Geometrie der Struktur einstellen. Aus einer Messung der Kapazität der ersten schwingfähigen Struktur kann auf diese Art und Weise die Auslenkung der schwingfähigen Struktur bestimmt werden, um so wiederum Rückschlüsse auf die stoßförmi- ge Anregung zu ziehen. Eine entsprechende Elektronik, die eine derartige Auswertung leistet, lässt sich insbesondere bei einer mikromechanischen Implementierung des Schwingungssensors auf einem Halbleiterchip sehr gut integrieren.Structure is. The relationship between the capacity of the vibratable structure and its deflection can be adjusted by the geometry of the structure. From a measurement of the capacitance of the first oscillatable structure, the deflection of the oscillatable structure can be determined in this way, in order in turn to draw conclusions about the pulsed excitation. A corresponding electronics, which makes such an evaluation, can be especially at a micro-mechanical implementation of the vibration sensor on a semiconductor chip very well integrate.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor mindestens eine zweite mikromechanisch gefertigte schwingungsfähige Struktur mit einer zweiten Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist. Unterscheidet sich die erste Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz, so stehen für eine spätere Auswertung zwei Messfrequenzen im Ultraschallbereich zur Verfügung .A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that the vibration sensor has at least one second micromechanically produced oscillatory structure with a second resonance frequency in the ultrasonic range. If the first resonance frequency differs from the second resonance frequency, two measurement frequencies in the ultrasonic range are available for later evaluation.
Hierbei ist es auch möglich, dass in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die erste schwingfähige Struktur einen ersten Messbereich aufweist, der sich mit einem zweiten Messbereich der zweiten schwingfähigen Struktur teilweise überlappt. Die Überlappung kann z.B. durch entsprechende Wahl der Güte der schwingfähigen Strukturen eingestellt werden. Besitzen erste und zweite schwingfähige Struktur eine relativ niedrige Güte, so kann eine Überlappung der Messbereiche auch dann erreicht werden, wenn erste und zweite Resonanzfrequenz relativ weit auseinander liegen. Auf diese Art und Weise ist es möglich, ein relativ großes Frequenzspektrum im Ultraschallbereich mit zwei schwingfähigen Strukturen abzudecken. Selbstverständlich ist auch denkbar und von der Erfindung um- fasst, dass mehr als zwei schwingfähige Strukturen mit mehr als zwei Resonanzfrequenzen zur Messung stoßförmiger Anregung auf dem Schwingungssensor implementiert werden. So kann ein ganzes Array mikromechanisch gefertigter schwingfähiger Strukturen auf nur einen einzigen Chip implementiert werden, um so ein möglichst großes Frequenzspektrum für die nachfolgende Auswertung zur Verfügung zu haben.In this case, it is also possible that, in a further advantageous embodiment of the invention, the first oscillatable structure has a first measuring range which partially overlaps with a second measuring range of the second oscillatable structure. The overlap may e.g. be adjusted by appropriate choice of the quality of the oscillatory structures. If the first and second oscillatable structures have a relatively low quality, an overlapping of the measuring ranges can be achieved even if the first and second resonant frequencies are relatively far apart. In this way it is possible to cover a relatively large frequency spectrum in the ultrasonic range with two oscillatory structures. Of course, it is also conceivable and encompassed by the invention that more than two oscillatable structures with more than two resonance frequencies for measuring impulsive excitation are implemented on the vibration sensor. Thus, an entire array of micromechanically manufactured oscillatable structures can be implemented on a single chip in order to have as large a frequency spectrum as possible for the subsequent evaluation.
Durch weitere Ausgestaltung der Erfindung ist es sogar mög- lieh, mit einem Schwingungssensor Schwingungsrichtungen in allen drei Raumdimensionen detektieren zu können. Bei einer derartigen vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist der Schwingungssensor eine dritte schwingfähige Struk- tur auf, deren Schwingungsrichtung im Wesentlichen orthogonal sowohl zu der Schwingungsrichtung der ersten als auch zu der Schwingungsrichtung der zweiten Struktur ist. Hierdurch wird durch die Schwingungsrichtungen der ersten, zweiten und drit- ten schwingfähigen Struktur ein kompletter dreidimensionaler Vektorraum aufgespannt. Dies ermöglicht die Detektion von stoßförmigen Anregungen aus allen drei Raumdimensionen.By further embodiment of the invention, it is even possible to be able to detect vibration directions in all three spatial dimensions with a vibration sensor. In such an advantageous embodiment of the invention, the vibration sensor has a third oscillatable structure whose vibration direction is substantially orthogonal to both the vibration direction of the first and to the vibration direction of the second structure. As a result, a complete three-dimensional vector space is spanned by the oscillation directions of the first, second and third oscillatable structures. This enables the detection of shock-shaped excitations from all three spatial dimensions.
Eine besonders einfache Schwingungsmessung lässt sich mit ei- nem mikromechanischen Messsystem realisieren, umfassend mindestens einen Schwingungssensor entsprechend einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und eine Elektronik zur Aufbereitung eines vom Schwingungssensor erfassten Messsignals. Bei einer derartigen Ausführungsform der Erfindung können Schwingungssensor und Elektronik in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden, so dass sich ein sehr kompaktes Messsystem ergibt und der Verdrahtungsaufwand äußerst gering gehalten werden kann. Hierdurch werden auch parasitäre Effekte, die die Messung verfälschen können, weitgehend vermieden.A particularly simple vibration measurement can be realized with a micromechanical measuring system, comprising at least one vibration sensor according to one of the embodiments described above and electronics for conditioning a measurement signal detected by the vibration sensor. In such an embodiment of the invention vibration sensor and electronics can be integrated in a common housing, so that there is a very compact measuring system and the wiring can be kept extremely low. As a result, parasitic effects that can falsify the measurement, largely avoided.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist eine solche Elektronik Komponenten zur analogen und digitalen Signalverarbeitung auf. Beispielsweise wird ein mit dem Schwingungssensor gewonnenes Signal zunächst mit analogen Bausteinen verstärkt und anschließend mittels digitaler Logikbausteine zur Ermittlung von Kennwerten wie Effektivwert, Spitzenwert, Curtosis, Crestfaktor usw. ausgewertet. Eine solche Signalauswertung mit Hilfe des Mikromesssystems kann an die konkrete Zielapplikation angepasst werden, so dass ei- ne Einstellung durch einen Benutzer des Mikromesssystems nicht mehr notwendig ist.In a further advantageous embodiment of the invention, such electronics on components for analog and digital signal processing. For example, a signal obtained with the vibration sensor is first amplified with analog modules and then evaluated by means of digital logic modules for determining characteristic values such as rms value, peak value, curtosis, crest factor, etc. Such a signal evaluation with the aid of the micro-measuring system can be adapted to the specific target application so that adjustment by a user of the micro-measuring system is no longer necessary.
Schließlich kann der Verdrahtungsaufwand für die Vibrationsmessung noch weiter reduziert werden, wenn in vorteilhafter Ausgestaltung das Messsystem eine Energiequelle zur Versorgung des mikromechanischen Systems mit elektrischer Energie aufweist. Eine derartige autarke Energieversorgung kann beispielsweise von einer in das mikromechanische Messsystem in- tegrierten Batterie übernommen werden. Alternativ ist je nach Anwendungsort des mikromechanischen Messsystems denkbar, eine regenerative Energiequelle wie beispielsweise eine Solarzelle zur Energieversorgung zu verwenden. Weitere Beispiele wären Thermogeneratoren oder auf dem piezoelektrischen oder elektrodynamischen Prinzip basierende Schwingungswandler, die die Energie zur Versorgung des mikromechanischen Messsystems aus der Umgebung des Systems beziehen.Finally, the wiring effort for the vibration measurement can be further reduced if, in an advantageous embodiment, the measuring system has an energy source for supplying the micromechanical system with electrical energy. Such a self-sufficient energy supply can be obtained, for example, from a micro-mechanical measuring system in the micro-mechanical measuring system. integrated battery. Alternatively, depending on the place of application of the micromechanical measuring system, it is conceivable to use a regenerative energy source such as, for example, a solar cell for supplying energy. Further examples would be thermal generators or vibratory transducers based on the piezoelectric or electrodynamic principle, which obtain the energy for supplying the micromechanical measuring system from the environment of the system.
In der Regel sollen die mittels des Messsystems erfassten und/oder ausgewerteten Größen an eine Auswerteeinheit, beispielsweise eine Maintenancestation, gesendet werden, die für die Überwachung eines Systems, in dem das Messsystem Anwendung findet, vorgesehen ist. Insbesondere für solche Zwecke ist eine Ausführung des mikromechanischen Messsystems vorteilhaft, bei der das Messsystem eine Sendeeinrichtung zur drahtlosen Übertragung des von der Elektronik aufbereiteten Messsignals aufweist.As a rule, the quantities detected and / or evaluated by means of the measuring system are to be sent to an evaluation unit, for example a maintenance station, which is provided for monitoring a system in which the measuring system is used. In particular, for such purposes, an embodiment of the micromechanical measuring system is advantageous in which the measuring system has a transmitting device for the wireless transmission of the processed by the electronics measurement signal.
Moderne halbleitertechnologische Verfahren ermöglichen eine besonders kompakte und kostengünstige Ausführungsform des mikromechanischen Messsystems, wobei der Schwingungssensor und die Elektronik auf einem gemeinsamen Substrat insbesondere monolithisch integriert sind. Hierbei können beispielswei- se Verfahren wie die Siliziumbulkmechanik oder die Silizium- oberflächenmikromechanik Verwendung finden, wenn das Substrat auch Silizium besteht. Eine monolithische Integration von Elektronik und Schwingungssensor auf einem einzigen Chip macht den breiten Einsatz des Mikromesssystem zur permanenten Überwachung von Motoren, Getrieben, Generatoren und sonstigenModern semiconductor technology methods enable a particularly compact and cost-effective embodiment of the micromechanical measuring system, wherein the vibration sensor and the electronics are integrated in particular monolithically on a common substrate. In this case, for example, methods such as silicon bulk mechanics or silicon surface micromechanics can be used if the substrate also comprises silicon. A monolithic integration of electronics and vibration sensor on a single chip makes the wide use of the micrometer system for permanent monitoring of engines, gearboxes, generators and other
Einrichtungen auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglich.Facilities also possible from an economic point of view.
Bei einer nichtmonolithischen Integration sind einzelne Chips auf einem gemeinsamen Substrat aus Silizium oder einer Keramik angeordnet. Zur Verbindung der einzelnen Chips untereinander und/oder mit dem Substrat kann z.B. die Drahtbondtechnik angewendet werden oder alternativ die sogenannte Flip- Chip Technologie. Durch ein derartige System-on-Chip Ausführung kann im Allgemeinen im Vergleich zu einer verdrahteten Ausführung mit herkömmlichen diskreten Bauelementen eine höhere Zuverlässigkeit des Messsystems erzielt werden.In a non-monolithic integration, individual chips are arranged on a common silicon or ceramic substrate. To connect the individual chips to one another and / or to the substrate, it is possible, for example, to use the wire bonding technique or, alternatively, the so-called flip-flop technique. Chip technology. Such a system-on-chip design generally provides greater reliability of the measurement system as compared to a conventional discrete component wired configuration.
Weiterhin ist eine Ausführungsform des mikromechanischen Messsystems vorteilhaft, bei der der Schwingungssensor und die Elektronik auf unterschiedlichen Trägern angeordnet sind, die in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Die einzel- nen Träger können aus Leiterplattenmaterial gefertigt werden und zur Reduzierung des Bauvolumens vertikal übereinander gestapelt werden.Furthermore, an embodiment of the micromechanical measuring system is advantageous in which the vibration sensor and the electronics are arranged on different carriers, which are integrated in a common housing. The individual carriers can be manufactured from printed circuit board material and stacked vertically one above the other to reduce the volume of construction.
Unabhängig von der verwendeten Fertigungstechnik für das Messsystem ist eine Ausführung des mikromechanischen Messsystems denkbar und vorteilhaft, bei der das Messsystem Sensorelemente zur Messung weiterer Messgrößen aufweist. Beispielsweise kann es sich hierbei um Temperaturmessungen oder Beschleunigungsmessungen handeln. Werden derartige Sensoren mit in das mikromechanische Messsystem integriert, so kann mit Hilfe eines vergleichsweise kleinen Bauteils eine große Anzahl von möglichen Betriebsparametern zur Zustandsüberwachung erfasst werden.Regardless of the production technology used for the measuring system, an embodiment of the micromechanical measuring system is conceivable and advantageous in which the measuring system has sensor elements for measuring further measured variables. For example, these may be temperature measurements or acceleration measurements. If such sensors are integrated into the micromechanical measuring system, a large number of possible operating parameters for condition monitoring can be detected with the aid of a comparatively small component.
Ferner ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung denkbar, bei der ein Sensornetzwerk mehrere Messsysteme und eine zentralen Überwachungseinheit umfasst, die eine Empfangseinrichtung zum Empfang und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der aufbereiteten Messsignale aufweist. Insbesondere bei einer Ausführung der Messsysteme mit einer Sendeeinrichtung zur drahtlosen Übertragung des von der Elektronik aufbereiteten Messsignals können die einzelnen Messsysteme des Netzwerks sehr leicht und ohne nennenswerten Aufwand mit der Auswerteeinheit verbunden werden. Ein derartiges Sensornetzwerk lässt sich auch sehr leicht um zusätzliche Messsysteme erweitern, wenn bei einer Anlage weitere schwingungsfähige Komponenten ergänzt werden. Das Sensornetzwerk kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zur insbesondere permanenten Überwachung von in Industrieprozessen eingesetzten, verschleißbehafteten Komponenten vorgesehen werden. An den entsprechenden Komponenten werden Messsysteme angebracht, die beispielsweise drahtlos das Ergebnis der mit Hilfe der Schwingungssensoren erfassten und mittels der Elektronik aufbereiteten Signale auswerten.Furthermore, an advantageous embodiment of the invention is conceivable in which a sensor network comprises a plurality of measuring systems and a central monitoring unit which has a receiving device for receiving and an evaluation unit for evaluating the processed measuring signals. In particular, in an embodiment of the measuring systems with a transmitting device for wireless transmission of the processed signal from the electronics, the individual measuring systems of the network can be very easily and without considerable effort connected to the evaluation. Such a sensor network can also be easily extended by additional measuring systems if additional oscillatory components are added to a system. The sensor network can be provided in a further embodiment of the invention for particular permanent monitoring of used in industrial processes, wear-prone components. Measuring systems are attached to the corresponding components, which, for example, wirelessly evaluate the result of the signals recorded with the aid of the vibration sensors and processed by the electronics.
Eine alternative Anwendung eines derartigen Sensornetzwerks kennzeichnet eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Sensornetzwerk zur insbesondere permanenten Stabilitätsüberwachung von Gebäuden vorgesehen ist. Hier können die Messsysteme an Stellen angebracht werden, die aus statischen Gründen als kritisch einzustufen sind. Schallemissionen im Ultraschallbereich, die auf eine Ermüdung tragender Teile des zu überwachenden Gebäudes hinweisen, werden mit Hilfe der Messsysteme frühzeitig erfasst und können mittels der Auswerteeinheit und/oder der in den Messsystemen integrierten Elektronik überwacht werden .An alternative application of such a sensor network characterizes a further embodiment of the invention, in which the sensor network is provided for the particular permanent stability monitoring of buildings. Here, the measuring systems can be installed in places that are classified as critical for static reasons. Acoustic emissions in the ultrasonic range, which indicate fatigue-bearing parts of the building to be monitored, are detected early by means of the measuring systems and can be monitored by means of the evaluation unit and / or the electronics integrated in the measuring systems.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures.
Es zeigen:Show it:
FIG 1 einen Schwingungssensor mit einer ersten, senkrecht zur Waferebene schwingfähigen Struktur,1 shows a vibration sensor with a first, perpendicular to the wafer plane oscillatable structure,
FIG 2 einen Schwingungssensor mit einer zweiten, parallel zur Waferebene schwingfähigen Struktur,2 shows a vibration sensor with a second, parallel to the wafer plane oscillatable structure,
FIG 3 eine schematische Darstellung eines Schwingungssen- sors mit einem Array schwingfähigen Strukturen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen,3 shows a schematic representation of a vibration sensor with an array of oscillatable structures with different resonance frequencies,
FIG 4 einen Frequenzgang des Schwingungssensors mit dem4 shows a frequency response of the vibration sensor with the
Array schwingfähiger Strukturen mit verschiedenenArray of vibratory structures with different
Resonanzfrequenzen, FIG 5 eine schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem Array verschiedener Strukturen mit verschiedenen Schwingungsrichtungen undResonant frequencies, 5 shows a schematic representation of a vibration sensor with an array of different structures with different vibration directions and
FIG 6 ein Layout eines mikromechanisch gefertigten Schwingungssensors ,6 shows a layout of a micromechanically manufactured vibration sensor,
FIG 7 ein mikromechanisches Messsystem als System-on-Chip,7 shows a micromechanical measuring system as a system-on-chip,
FIG 8 ein mikromechanisches Messsystem als Leiterplattenstapel,8 shows a micromechanical measuring system as a printed circuit board stack,
FIG 9 ein mikromechanisches Messsystem in Star-Flex-Leiter- plattentechnik,9 shows a micromechanical measuring system in Star-Flex printed circuit board technology,
FIG 10 eine schematische Darstellung eines Mikromesssys- tems zur drahtgebundenen Anbindung an ein Sensornetzwerk,10 shows a schematic representation of a micromeasurement system for the wired connection to a sensor network,
FIG 11 eine schematische Darstellung eines Mikromesssys- tems zur drahtlosen Anbindung an ein Sensornetzwerk,11 shows a schematic representation of a micromeasurement system for the wireless connection to a sensor network,
FIG 12 ein Sensornetzwerk zur Körperschallmessung an einer Werkzeugmaschine und12 shows a sensor network for structure-borne sound measurement on a machine tool and
FIG 13 ein Sensornetzwerk zur Körperschallmessung an einem Gebäude .13 shows a sensor network for structure-borne noise measurement on a building.
FIG 1 zeigt einen Schwingungssensor mit einer ersten, senkrecht zur Waferebene schwingfähigen Struktur. Mittels in der Halbleitertechnik üblicher Lithographie und Ätzschritte ist aus einem ersten Wafer ein erster Chip 3 mit einer seismischen Masse 1 produziert worden, die durch Federelemente 2 beweglich gelagert ist. Dieser erste Chip 3 ist mit Hilfe von Silicon Fusion Bonding mit einem zweiten Chip 4, der auf einem zweiten Wafer gefertigt wurde, verbunden worden. Das Silicon Fusion Bonding ermöglicht es, den ersten Chip 3 und den zweiten Chip 4 zunächst auf separaten Wafern zu prozessieren und diese anschließend miteinander zu Bonden, so dass eine feste Bondverbindung 5 zwischen den beiden Halbleiterchips 3,4 entsteht. Der zweite Chip 4 ist z.B. über eine Lötverbin- düng auf einen Schaltungsträger 6 montiert.1 shows a vibration sensor with a first, perpendicular to the wafer plane oscillatable structure. By means of lithography and etching steps customary in semiconductor technology, a first chip 3 having a seismic mass 1 has been produced from a first wafer and is movably supported by spring elements 2. This first chip 3 has been connected by means of silicon fusion bonding to a second chip 4 which has been produced on a second wafer. The Silicon Fusion Bonding allows the first chip 3 and the process second chip 4 initially on separate wafers and then to bond them together, so that a solid bond 5 between the two semiconductor chips 3,4 is formed. The second chip 4 is, for example, mounted on a circuit carrier 6 via a solder connection.
Die Vorzugsrichtung der dargestellten schwingfähigen Struktur liegt in diesem Fall senkrecht zur Waferebene. Man spricht hierbei auch von einer Out-of-Plane Anordnung. Bei einer An- regung senkrecht zur Waferebene wird die seismische Masse 1 relativ zu dem zweiten Wafer 4 bewegt.The preferred direction of the illustrated oscillatable structure is in this case perpendicular to the wafer plane. This is also called an out-of-plane arrangement. When excited perpendicular to the wafer plane, the seismic mass 1 is moved relative to the second wafer 4.
Die auf dem ersten und zweiten Chip gefertigten Teilstrukturen bilden eine elektrische Kapazität, deren Wert abhängig von der Auslenkung der seismischen Masse 1 gegenüber dem zweiten Chip 4 ist. Diese Kapazitätsänderung kann z.B. dadurch gemessen werden, dass auf dem ersten und zweiten Chip 3,4 metallisierte Kontakte 7 aufgebracht sind, die über Bonddrähte 8 mit dem Schaltungsträger 6 kontaktiert werden. Auf dem Schaltungsträger 6 befindet sich schließlich eine Verstärkerschaltung, mit der die durch die dynamischen Kapazitätsänderungen erzeugten Umladeströme verstärkt werden können. Weiterhin ist auf dem Schaltungsträger 6 eine Auswerteschaltung vorgesehen, mit der die stoßförmigen Anregungen, die den dargestellten Schwingungssensor zum Schwingen anregen, auf Basis der gemessenen Umladeströme bestimmt werden können .The partial structures fabricated on the first and second chip form an electrical capacitance whose value is dependent on the deflection of the seismic mass 1 relative to the second chip 4. This capacitance change can e.g. be measured by the fact that on the first and second chip 3.4 metallized contacts 7 are applied, which are contacted via bonding wires 8 to the circuit substrate 6. On the circuit carrier 6 is finally an amplifier circuit with which the Umladeströme generated by the dynamic capacitance changes can be amplified. Furthermore, an evaluation circuit is provided on the circuit carrier 6, with which the shock-shaped excitations, which excite the vibration sensor shown to vibrate, can be determined on the basis of the measured Umladeströme.
Der Messbereich des dargestellten Schwingungssensors liegt im Ultraschallbereich. Um dies zu gewährleisten, ist die Resonanzfrequenz der schwingungsfähigen Struktur auf den Ultraschallbereich dimensioniert worden. Eine Dimensionierung der Resonanzfrequenz kann beispielsweise durch entsprechende Gestaltung des Federelementes 2 und durch Wahl der seismischen Masse 1 erreicht werden. Je schwerer die seismische Masse 1 ist, desto niedriger ist die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Struktur. FIG 2 zeigt einen Schwingungssensor mit einer zweiten parallel zur Waferebene schwingfähigen Struktur. Der dargestellte Schwingungssensor ist ebenfalls aus zwei Siliziumwafern mit Hilfe der Siliziumbulkmechanik bzw. der Siliziumoberflächen- mikromechanik gefertigt worden und dient der Bestimmung stoß- förmiger Anregungen im Ultraschallbereich. Hierzu ist zunächst in einem ersten Wafer eine Grube 9 geätzt worden. Anschließend wurde ein zweiter Wafer durch Silicon Fusion Bonding auf den ersten Wafer aufgebondet und auf die gewünschte Strukturhöhe abgedünnt . Im darauf folgenden Prozessschritt wurde der zweite Wafer mittels Trockenätzen (DRIE) partiell komplett durchgeätzt, so dass oberhalb der Grube 9 eine frei bewegliche seismische Masse 1 entsteht. Die Vorzugsrichtung für die Schwingung einer derartigen schwingfähigen Struktur ist parallel zur Waferebene. Eine solche Anordnung wird auch als In-Plane Anordnung bezeichnet.The measuring range of the vibration sensor shown is in the ultrasonic range. To ensure this, the resonant frequency of the oscillatory structure has been dimensioned to the ultrasonic range. A dimensioning of the resonance frequency can be achieved for example by appropriate design of the spring element 2 and by selecting the seismic mass 1. The heavier the seismic mass 1, the lower the resonant frequency of the oscillatory structure. FIG. 2 shows a vibration sensor with a second structure which can be oscillated parallel to the wafer plane. The illustrated vibration sensor has likewise been produced from two silicon wafers with the aid of silicon bulk mechanics or silicon surface micromechanics and serves to determine jerky excitations in the ultrasonic range. For this purpose, first a pit 9 has been etched in a first wafer. Subsequently, a second wafer was bonded by silicon fusion bonding on the first wafer and thinned to the desired structural height. In the following process step, the second wafer was partially completely etched by dry etching (DRIE), so that a freely movable seismic mass 1 is formed above the pit 9. The preferred direction for the vibration of such a vibratory structure is parallel to the wafer plane. Such an arrangement is also referred to as in-plane arrangement.
FIG 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem Array schwingfähiger Strukturen 11...18 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, wobei sämtliche Resonanzfrequenzen im Ultraschallbereich liegen. U.a. sind die jeweiligen seismischen Massen 1 der einzelnen schwingfähigen Strukturen 11...18 des Arrays schematisch dargestellt. Sämtliche schwingfähige Strukturen 11...18 sind auf einem einzelnen Siliziumchip realisiert. Durch die Wahl der seismischen Massen 1 kann die Resonanzfrequenz jeder einzelnen schwingfähigen Struktur eingestellt werden. Hierbei weist eine erste schwingfähige Struktur 11 die größte seismische Masse 1 auf und hat somit die niedrigste Resonanzfrequenz. Insgesamt weist die Struktur acht seismische Massen 1 auf, wobei die seismischen Massen von der ersten schwingfähigen Struktur 11 über eine zweite und dritte schwingfähige Struktur 12, 13 bis hin zu einer achten schwingfähigen Struktur 18 kontinuierlich abnehmen. Größere seismische Massen 1 sind hierbei durch grö- ßere Rechtecke, kleinere seismische Massen 1 durch kleinere Rechtecke dargestellt. Die Resonanzfrequenzen der einzelnen schwingfähigen Strukturen 11...18 des Arrays sind gestuft angeordnet, um einen kompletten Frequenzbereich im Ultraschallbe- reich abdecken zu können. Beispielsweise decken die dargestellten acht schwingfähigen Strukturen 11...18 des Arrays einen Frequenzbereich zwischen 30 und 100 kHz ab, wobei sich die einzelnen Resonanzfrequenzen um jeweils 10 kHz voneinan- der unterscheiden.FIG. 3 shows a schematic representation of a vibration sensor with an array of oscillatable structures 11... 18 with different resonance frequencies, wherein all resonance frequencies lie in the ultrasonic range. For example, the respective seismic masses 1 of the individual oscillatable structures 11... 18 of the array are shown schematically. All oscillatable structures 11 ... 18 are realized on a single silicon chip. By selecting the seismic masses 1, the resonant frequency of each individual oscillatory structure can be adjusted. In this case, a first oscillatable structure 11 has the largest seismic mass 1 and thus has the lowest resonance frequency. Overall, the structure has eight seismic masses 1, wherein the seismic masses continuously decrease from the first oscillatable structure 11 via a second and third oscillatable structure 12, 13 up to an eighth oscillatable structure 18. Larger seismic masses 1 are represented here by larger rectangles, smaller seismic masses 1 by smaller rectangles. The resonance frequencies of the individual oscillatable structures 11... 18 of the array are arranged in a stepped manner in order to cover a complete frequency range in the ultrasound to be able to cover richly. By way of example, the illustrated eight oscillatable structures 11... 18 of the array cover a frequency range between 30 and 100 kHz, the individual resonant frequencies differing by 10 kHz in each case.
FIG 4 zeigt den Frequenzgang des Schwingungssensors mit dem Array schwingfähiger Strukturen 11...18 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen, der in FIG 3 dargestellt ist. In diesem Aus- führungsbeispiel ist die Güte dieser einzelnen schwingfähigen Strukturen des Arrays derart gewählt worden, dass sich ihre jeweiligen Frequenzbereiche überlappen. Auf diese Art und Weise kann ein Frequenzfenster im Ultraschallbereich nahezu kontinuierlich erfasst werden.4 shows the frequency response of the vibration sensor with the array of oscillatable structures 11 ... 18 with different resonance frequencies, which is shown in FIG. In this exemplary embodiment, the quality of these individual oscillatable structures of the array has been selected such that their respective frequency ranges overlap. In this way, a frequency window in the ultrasonic range can be detected almost continuously.
FIG 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem Array schwingfähiger Strukturen mit verschiedenen Schwingungsrichtungen. Beispielhaft sind hier nur zwei schwingfähige Strukturen aufgezeigt, wobei die Vorzugs- richtungen der beiden schwingfähigen Strukturen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Mit einer derartigen Anordnung lassen sich stoßförmige Anregungen detektieren, wobei eine Auflösung bezüglich zweier Raumdimensionen erzielt werden kann. Um schließlich auch die dritte Raumdimension abbilden zu können, ließe sich das hier dargestellte Schwingungsmess- system durch eine weitere schwingfähige Struktur ergänzen, deren Vorzugsrichtung orthogonal zu der Schwingungsrichtung beider hier dargestellten schwingungsfähigen Strukturen ausgerichtet ist.FIG. 5 shows a schematic representation of a vibration sensor with an array of oscillatable structures with different directions of vibration. By way of example, only two oscillatable structures are shown here, the preferred directions of the two oscillatable structures being oriented orthogonally to one another. With such an arrangement, shock-shaped excitations can be detected, wherein a resolution with respect to two spatial dimensions can be achieved. Finally, in order to be able to image the third spatial dimension, the oscillation measuring system shown here could be supplemented by a further oscillatable structure whose preferred direction is oriented orthogonally to the oscillation direction of both oscillatory structures shown here.
FIG 6 zeigt ein Layout eines mikromechanisch gefertigten Schwingungssensors. Es handelt sich hierbei um einen In-PIa- ne-Schwinger, d.h. die Vorzugsrichtung der schwingfähigen Strukturen ist parallel zur Waferebene ausgerichtet. In die- sem Fall umfasst der Schwingungssensor eine kammartig ausgeführte seismische Masse 1, die an zwei Seiten zumindest teilweise in ebenfalls kammartig ausgeführte Messelektronen 10 eingreift. Die seismische Masse 1 ist an vier Federelementen 2 aufgehängt. Die Resonanzfrequenz des dargestellten Schwingungssensors im Ultraschallbereich wird über die Länge der Federelemente 2 und das Gewicht der seismischen Masse 1 eingestellt. Auch hier erfolgt die Signalgewinnung durch Auswer- tung der Kapazitätsänderung zwischen der seismischen Masse 1 und den Messelektronen. Die Abmessung einer solchen schwingfähigen Struktur liegt bei etwa 500 x 500 Mikrometer.6 shows a layout of a micromechanically manufactured vibration sensor. This is an in-plane oscillator, ie the preferred direction of the oscillatable structures is aligned parallel to the wafer plane. In this case, the vibration sensor comprises a comb-like seismic mass 1, which engages on two sides at least partially in measurement electrons 10, which are also comb-like. The seismic mass 1 is on four spring elements 2 hung up. The resonant frequency of the illustrated vibration sensor in the ultrasonic range is adjusted over the length of the spring elements 2 and the weight of the seismic mass 1. Again, the signal is obtained by evaluating the capacitance change between the seismic mass 1 and the measuring electrons. The dimension of such a vibratable structure is about 500 x 500 microns.
FIG 7 zeigt ein mikromechanisches Messsystem 23 als System- on-Chip. Das Messsystem 23 umfasst einen Schwingungssensor 19, der einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen entspricht und hier nur schematisch dargestellt ist. Weiterhin weist das mikromechanische Messsystem 23 eine analoge Signalverarbeitung 20 und eine digitale Signalverarbeitung 21 auf. Alle drei genannten Komponenten 19, 20, 21 sind auf einem gemeinsamen Substrat 22, welches aus Silizium oder Keramik bestehen kann, aufgebracht. Auf dem Substrat 22 befinden sich Kupferbahnen, mit denen der Schwingungssensor 19 und die analoge Signalverarbeitung 20 über Bonddrähte 8 verbunden ist. Der analogen Signalverarbeitung 20, die zur Verstärkung und7 shows a micromechanical measuring system 23 as a system-on-chip. The measuring system 23 comprises a vibration sensor 19, which corresponds to one of the previously described embodiments and is shown here only schematically. Furthermore, the micromechanical measuring system 23 has an analog signal processor 20 and a digital signal processor 21. All three components 19, 20, 21 are on a common substrate 22, which may consist of silicon or ceramic applied. On the substrate 22 are copper tracks, with which the vibration sensor 19 and the analog signal processing 20 is connected via bonding wires 8. The analog signal processing 20, the gain and
Filterung des vom Schwingungssensor 19 erfassten Signals vorgesehen ist, ist schließlich noch die digitale Signalverarbeitung 21 nachgeschaltet. Eine oder mehrere zur digitalen Signalverarbeitung vorgesehene Chips sind mit Hilfe der soge- nannten Flip-Chip Bonding Technologie auf das Substrat 22 aufgebracht. Die Chips der digitalen Signalverarbeitung 21 sind dabei mit ihrer elektrisch aktiven Seite über sogenannte Bumps 29 mit dem als Schaltungsträger dienenden Substrat 22 verbunden. Die Flip-Chip Bonding Technologie stellt eine ele- gante Alternative zur Drahtbondtechnologie dar, da sich mit ihr eine noch kompaktere Bauweise realisieren lässt und im Allgemeinen auch eine höhere Zuverlässigkeit und geringere Störanfälligkeit erreicht werden kann.Filtering the signal detected by the vibration sensor 19 is provided, finally, the digital signal processing 21 is connected downstream. One or more chips provided for digital signal processing are applied to the substrate 22 with the aid of the so-called flip-chip bonding technology. The chips of the digital signal processing 21 are connected with their electrically active side via so-called bumps 29 with the substrate 22 serving as a circuit carrier. The flip-chip bonding technology represents an elegant alternative to wire bonding technology, as it allows for an even more compact design and in general a higher reliability and lower susceptibility to interference can be achieved.
Das dargestellte mikrosystemtechnische Messsystem kann schließlich in einem in der Mikroelektronik üblichen IC-Gehäuse gehaust werden. Das dargestellte mikromechanische Messsystem stellt nur eine beispielhafte Ausführungsform für ein Körperschallmesssystem dar, welches eine integrierte Signalverarbeitung aufweist. Mikromechanische Schallaufnehmer, analoge Signalverarbeitung 20 und digitale SignalVerarbeitung 21 können sowohl als diskrete Bauelemente auf diskreten Siliziumchips realisiert werden und anschließend mit Hilfe einer geeigneten Bondtechnik miteinander elektrisch verbunden werden als auch monolithisch auf einen einzigen Chip integriert werden.The illustrated microsystem measuring system can finally be housed in an IC housing customary in microelectronics. The illustrated micromechanical measuring system represents only one exemplary embodiment of a structure-borne sound measuring system, which has an integrated signal processing. Micromechanical acoustic sensors, analog signal processing 20 and digital signal processing 21 can both be realized as discrete components on discrete silicon chips and then electrically connected to one another by means of a suitable bonding technique as well as monolithically integrated on a single chip.
FIG 8 zeigt ein mikromechanisches Messsystem 23 als Leiterplattenstapel. Hierbei werden ein Schwingungssensor 19, eine analoge Signalverarbeitung 20 und eine digitale Signalverarbeitung 21 auf einzelnen Trägern implementiert, wobei die Träger zur Reduzierung des Bauvolumens übereinander gestapelt werden. Als Basismaterial für den Stapelaufbau sind Leiterplattenmaterial (FR4) oder Keramik einsetzbar.8 shows a micromechanical measuring system 23 as a printed circuit board stack. Here, a vibration sensor 19, an analog signal processing 20 and a digital signal processing 21 are implemented on individual carriers, wherein the carriers are stacked to reduce the volume of construction. As a base material for the stack construction board material (FR4) or ceramic can be used.
FIG 9 zeigt ein mikromechanisches Messsystem 23 in Star-Flex Leiterplattentechnik. Hierbei sind ein Schwingungssensor 19, eine analoge Signalverarbeitung 20 und eine digitale Signalverarbeitung 21 ebenfalls zur Reduzierung des GesamtBauvolumens auf übereinander gestapelten Trägern implementiert, wobei die Star-Flex Leiterplattentechnik Anwendung findet. Die Verbindung zwischen den einzelnen funktionellen Schichten geschieht hier über flexible Leiterplatten im Gegensatz zu FIG 8, wo die Verbindung der einzelnen funktionalen Schichten ü- ber einen starren Rahmen realisiert wurde.9 shows a micromechanical measuring system 23 in Star-Flex printed circuit board technology. Here, a vibration sensor 19, an analog signal processor 20 and a digital signal processor 21 are also implemented to reduce the overall build volume on stacked carriers using Star-Flex printed circuit board technology. The connection between the individual functional layers happens here via flexible printed circuit boards, in contrast to FIG. 8, where the connection of the individual functional layers has been realized via a rigid frame.
FIG 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikromess- systems 23 zur drahtgebunden Anbindung an ein Sensornetzwerk. Das mikromechanische Messsystem 23 weist eine drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle 24 und eine drahtgebundene Energieversorgungsschnittstelle 25 auf. Über die Kommunikations- schnittsteile 24 kann das Mikromesssystem 23 mit weiteren10 shows a schematic representation of a micromeasuring system 23 for the wired connection to a sensor network. The micromechanical measuring system 23 has a wired communication interface 24 and a wired power supply interface 25. About the communication interface parts 24, the micro-measuring system 23 with more
Schwingungssensoren bzw. Mikromesssystemen kommunizieren und an eine zentrale Auswerteeinheit angeschlossen werden. Über die Energieversorgungsschnittstelle 25 kann die zur Auswer- tung der mit dem Schwingungssensor erfassten Signale notwendige Energie geliefert werden. Das dargestellte mikromechanische Messsystem 23 eignet sich für ein verdrahtetes Sensornetzwerk.Vibrational sensors or micro-measuring systems communicate and connected to a central evaluation unit. The energy supply interface 25 can be used for the evaluation tion of the signals detected with the vibration sensor necessary energy are supplied. The illustrated micromechanical measuring system 23 is suitable for a wired sensor network.
Alternativ können die Kommunikationsschnittstelle 24 und die Energieversorgungsschnittstelle 25 als gemeinsame Schnittstelle ausgeführt werden. An eine solche gemeinsame Schnittstelle wird dann ein sowohl für die Energie- als auch die Da- tenübertragung verwendetes Kabel angeschlossen. Kommunikationstechniken wie PowerLine Communication (= Möglichkeit der Datenübertragung über das Stromnetz) oder Power over Ethernet können hierbei zum Einsatz kommen.Alternatively, the communication interface 24 and the power supply interface 25 may be implemented as a common interface. A cable used for both energy and data transmission is then connected to such a common interface. Communication techniques such as PowerLine Communication (= possibility of data transmission via the power network) or Power over Ethernet can be used here.
Ein einfacherer Aufbau eines Sensornetzwerkes ist mit einem mikromechanischen Messsystem 23 möglich, wie es in FIG 11 gezeigt ist. FIG 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Mikromesssystems zur drahtlosen Anbindung an ein Sensornetzwerk. Das mikromechanische Messsystem 23 umfasst eine Sende- einrichtung 27 in Form einer Antenne, über die das Messsystem 23 mit weiteren Messsystemen 23 des Sensornetzwerkes und/oder mit einer zentralen Auswerte- bzw. Überwachungseinheit kommunizieren kann. Eine vollkommen drahtlose Realisierung eines derartigen Sensornetzwerkes wird dadurch erreicht, dass in das Messsystem 23 eine Energiequelle 26 beispielsweise in Form einer Batterie integriert ist.A simpler structure of a sensor network is possible with a micromechanical measuring system 23, as shown in FIG. 11 shows a schematic representation of a micrometer system for the wireless connection to a sensor network. The micromechanical measuring system 23 comprises a transmitting device 27 in the form of an antenna, via which the measuring system 23 can communicate with further measuring systems 23 of the sensor network and / or with a central evaluation or monitoring unit. A completely wireless realization of such a sensor network is achieved in that an energy source 26, for example in the form of a battery, is integrated in the measuring system 23.
FIG 12 zeigt ein Sensornetzwerk zur KörperSchallmessung an einer Werkzeugmaschine. Durch den Einsatz eines kostengünsti- gen autarken Mikromesssystems 23 nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungen können alle Schallquellen der Werkzeugmaschine wie z.B. Spindeln, Antriebe, Lager und Werkzeug kontinuierlich überwacht werden. Hierzu werden an den kritischen Stellen jeweils mikromechanische Messsysteme 23 zur Er- fassung des abgestrahlten Körperschalls angebracht, die mit einer zentralen Überwachungseinheit 28 kommunizieren. Die zentrale Überwachungseinheit 28 wertet die an sie übertragenen Signale aus und kann somit zu Maintenancezwecken verwen- det werden. Ein vorzeitiger Werkzeugausfall kann beispielsweise durch die Körperschallmessung vorzeitig erkannt und somit verhindert werden. Eine drahtlose Sensorik, wie sie beispielsweise mit einem mikromechanischen Messsystem gemäß FIG 11 realisiert werden kann, ist insbesondere bei Werkzeugen mit drehbarem Werkzeughalter besonders vorteilhaft und oftmals die einzig sinnvolle Ausführungsform.FIG. 12 shows a sensor network for body sound measurement on a machine tool. By using a cost-effective self-sufficient micrometer system 23 according to one of the embodiments described above, all sound sources of the machine tool, such as spindles, drives, bearings and tools, can be continuously monitored. For this purpose, micromechanical measuring systems 23 for detecting the radiated structure-borne noise, which communicate with a central monitoring unit 28, are respectively mounted at the critical points. The central monitoring unit 28 evaluates the signals transmitted to it and can therefore be used for maintenance purposes. be. A premature tool failure can be detected prematurely, for example, by the structure-borne noise measurement and thus prevented. A wireless sensor technology, as can be realized, for example, with a micromechanical measuring system according to FIG. 11, is particularly advantageous in tools with a rotatable tool holder and is often the only useful embodiment.
FIG 13 zeigt ein Sensornetzwerk zur Körperschallmessung an einem Gebäude. Hier sind einzelne mikromechanische Messsysteme 23 mit drahtloser Kommunikationsmöglichkeit und autarker Energieversorgung an für die Statik kritischen Punkten des Gebäudes angebracht. Strukturschäden an Gebäuden können mit Hilfe der in dem Messsystem integrierten Schwingungssensoren detektiert werden und über eine drahtlose Sendeeinrichtung an eine zentrale Überwachungseinheit 28 gesendet werden. Beispielsweise könnte ein derartiges Sensornetzwerk genutzt werden, um eine Überlastung durch eine Schneelast zu detektie- ren. Wird diese detektiert und an die Überwachungseinheit 28 gesendet, so kann über die Überwachungseinheit 28 ein entsprechender Alarm ausgelöst werden und das Gebäude frühzeitig geräumt werden. Eine derartige Überwachung mit Hilfe eines Sensornetzwerkes ist auch an Glasfaserstrukturen von Windradflügeln einsetzbar, die ebenfalls einer starken mechanischen Beanspruchung unterliegen. FIG. 13 shows a sensor network for structure-borne noise measurement on a building. Here, individual micromechanical measuring systems 23 with wireless communication capability and self-sufficient energy supply are attached to critical points of the building for statics. Structural damage to buildings can be detected with the aid of the vibration sensors integrated in the measuring system and sent to a central monitoring unit 28 via a wireless transmitting device. For example, such a sensor network could be used to detect an overload by a snow load. If this is detected and sent to the monitoring unit 28, a corresponding alarm can be triggered via the monitoring unit 28 and the building can be cleared early. Such monitoring by means of a sensor network is also applicable to glass fiber structures of wind turbine blades, which are also subject to a strong mechanical stress.

Claims

Patentansprüche claims
1. Schwingungssensor (19) mit mindestens einer ersten mikromechanisch gefertigten schwingfähigen Struktur, die durch ei- ne stoßförmige Anregung anregbar ist und eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist.1. Vibration sensor (19) with at least one first micromechanically manufactured oscillatable structure which can be excited by a jerk-shaped excitation and has a first resonance frequency in the ultrasonic range.
2. Schwingungssensor (19) nach Anspruch 1, wobei der Schwingungssensor zur Messung von Körperschall vor- gesehen ist.2. vibration sensor (19) according to claim 1, wherein the vibration sensor is provided for the measurement of structure-borne noise.
3. Schwingungssensor (19) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste schwingfähige Struktur aus einem Wafer aus halbleitendem Material gefertigt ist.3. vibration sensor (19) according to claim 1 or 2, wherein the first oscillatory structure is made of a wafer of semiconducting material.
4. Schwingungssensor (19) nach Anspruch 3, wobei die erste schwingfähige Struktur mittels Silizium-Bulk- Mechanik und/oder Silizium-Oberfächen-Mikromechanik gefertigt ist.4. Vibration sensor (19) according to claim 3, wherein the first oscillatable structure is manufactured by means of silicon-bulk mechanics and / or silicon surface micromechanics.
5. Schwingungssensor (19) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste schwingfähige Struktur senkrecht zur Wafer- ebene schwingfähig ist.5. vibration sensor (19) according to claim 3 or 4, wherein the first oscillatory structure is oscillatable perpendicular to the wafer plane.
6. Schwingungssensor (19) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste schwingfähige Struktur parallel zur Wafer- ebene schwingfähig ist.6. vibration sensor (19) according to claim 3 or 4, wherein the first oscillatory structure is parallel to the wafer plane oscillatory.
7. Schwingungssensor (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schwingungssensor (19) Mittel zur Bestimmung der stoßförmigen Anregung auf Basis einer Messung der elektrischen Kapazität der ersten schwingfähigen Struktur in einem angeregten Zustand ausweist.The vibration sensor (19) according to any one of claims 1 to 6, wherein the vibration sensor (19) has means for determining the jerk-shaped excitation based on a measurement of the electric capacitance of the first oscillatory structure in an excited state.
8. Schwingungssensor (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schwingungssensor (19) mindestens eine zweite mikromechanisch gefertigte schwingfähige Struktur mit einer zweiten Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist. 8. Vibration sensor (19) according to one of claims 1 to 7, wherein the vibration sensor (19) has at least one second micromechanically manufactured oscillatable structure having a second resonance frequency in the ultrasonic range.
9. Schwingungssensor (19) nach Anspruch 8, wobei die erste schwingfähige Struktur einen ersten Messbereich aufweist, der sich mit einem zweiten Messbereich der zweiten schwingfähigen Struktur teilweise überlappt.9. The vibration sensor (19) of claim 8, wherein the first vibratable structure has a first measurement range partially overlapping with a second measurement range of the second vibratable structure.
10. Schwingungssensor (19) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die erste und die zweite mikromechanisch gefertigte Struktur unterschiedlich Schwingungsrichtungen aufweisen.10. vibration sensor (19) according to any one of claims 8 or 9, wherein the first and the second micromechanically fabricated structure have different directions of vibration.
11. Schwingungssensor (19) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Schwingungssensor (19) eine dritte schwingfähige Struktur aufweist, deren Schwingungsrichtung im Wesentlichen orthogonal sowohl zu der Schwingungsrichtung der ersten als auch zu der Schwingungsrichtung der zweiten Struktur ist.The vibration sensor (19) according to any one of claims 8 to 10, wherein the vibration sensor (19) has a third oscillatable structure whose vibration direction is substantially orthogonal to both the vibration direction of the first and the vibration direction of the second structure.
12. Mikromechanisches Messsystem (23) umfassend mindestens einen Schwingungssensor (19) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und eine Elektronik zur Aufbreitung eines vom Schwingungssensor (19) erfassten Messsignals.12. Micromechanical measuring system (23) comprising at least one vibration sensor (19) according to one of claims 1 to 11 and an electronics for propagating a measurement signal detected by the vibration sensor (19).
13. Mikromechanisches Messsystem (23) nach Anspruch 12, wobei die Elektronik Komponenten zur analogen und digitalen Signalverarbeitung (20,21) aufweist.13. A micromechanical measuring system (23) according to claim 12, wherein the electronics components for analog and digital signal processing (20,21).
14. Mikromechanisches Messsystem (23) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Messsystem (23) eine Energiequelle (26) zur Versorgung des mikromechanischen Messsystems (23) mit elektrischer Energie aufweist.14. Micromechanical measuring system (23) according to claim 12 or 13, wherein the measuring system (23) comprises an energy source (26) for supplying the micromechanical measuring system (23) with electrical energy.
15. Mikromechanisches Messsystem (23) einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Messsystem (23) eine Sendeeinrichtung (27) zur drahtlosen Übertragung des von der Elektronik aufbereiteten Messsignals aufweist.15. Micromechanical measuring system (23) according to one of claims 12 to 14, wherein the measuring system (23) has a transmitting device (27) for the wireless transmission of the conditioned by the electronics measurement signal.
16. Mikromechanisches Messsystem (23) einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Schwingungssensor (19) und die Elektronik auf einem gemeinsamen Substrat (22) insbesondere monolithisch integriert sind.16. A micromechanical measuring system (23) according to one of claims 12 to 15, wherein the vibration sensor (19) and the electronics on a common substrate (22) are in particular monolithically integrated.
17. Mikromechanisches Messsystem (23) einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei der der Schwingungssensor (19) und die Elektronik auf unterschiedlichen Trägern angeordnet sind, die in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.17. A micromechanical measuring system (23) according to any one of claims 12 to 16, wherein the vibration sensor (19) and the electronics are arranged on different carriers, which are integrated in a common housing.
18. Mikromechanisches Messsystem (23) einem der Ansprüche 12 bis 17, wobei das Messsystem Sensorelemente zur Messungen weiterer Messgroßen aufweist.18. The micromechanical measuring system (23) according to one of claims 12 to 17, wherein the measuring system has sensor elements for measuring further measuring variables.
19. Sensornetzwerk mit mehreren Messsystemen (23) nach einem der Ansprüche 12 bis 18 und einer zentralen Überwachungseinheit (28) , die eine Empfangseinrichtung zum Empfang und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der aufbereiteten Messsignale aufweist.19. Sensor network with a plurality of measuring systems (23) according to one of claims 12 to 18 and a central monitoring unit (28), which has a receiving device for receiving and an evaluation unit for evaluating the processed measuring signals.
20. Sensornetzwerk nach Anspruch 19, wobei das Sensornetzwerk zur insbesondere permanenten Überwachung von in Industrieprozessen eingesetzten, verschleißbe- hafteten Komponenten vorgesehen ist.20. Sensor network according to claim 19, wherein the sensor network for the particular permanent monitoring of used in industrial processes, wear-liable components is provided.
21. Sensornetzwerk nach Anspruch 19, wobei das Sensornetzwerk zur insbesondere permanenten Stabilitätsüberwachung von Gebäuden vorgesehen ist.21. Sensor network according to claim 19, wherein the sensor network is provided for particular permanent stability monitoring of buildings.
22. Verfahren zur Herstellung eines Schwingungssensors (19), bei dem mindestens eine erste schwingfähige Struktur, die durch eine stoßförmige Anregung anregbar ist und eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist, mikromecha- nisch gefertigt wird.22. A method for producing a vibration sensor (19), in which at least one first oscillatory structure, which can be excited by a pulse-shaped excitation and has a first resonant frequency in the ultrasonic range, is made micromechanical.
23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei der Schwingungssensor (19) aus einem Wafer aus halbleitendem Material gefertigt wird.23. The method according to claim 22, wherein the vibration sensor (19) is made of a wafer of semiconducting material.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Schwingungssensor (19) mittels Silizium-Bulk-Mecha- nik und/oder Silizium-Oberfächen-Mikromechanik gefertigt wird.24. The method according to claim 23, wherein the vibration sensor (19) is produced by means of silicon bulk mechanics and / or silicon surface micromechanics.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei eine Elektronik zur Aufbreitung eines vom Schwingungssensor (19) erfassten Messsignals zusammen mit dem Schwingungssensor (19) auf einem gemeinsamen Substrat, insbesondere einem Siliziumchip, monolithisch integriert wird.25. The method according to any one of claims 22 to 24, wherein an electronics for propagating a measurement signal detected by the vibration sensor (19) is monolithically integrated together with the vibration sensor (19) on a common substrate, in particular a silicon chip.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24,26. The method according to any one of claims 22 to 24,
wobei der Schwingungssensor (19) und eine Elektronik zur Auf- breitung eines vom Schwingungssensor (19) erfassten Messsignals auf unterschiedlichen Dies angeordnet werden, die in einem gemeinsamen Gehäuse integriert werden. wherein the vibration sensor (19) and an electronics for spreading a measurement signal detected by the vibration sensor (19) are arranged on different dies, which are integrated in a common housing.
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