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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 197 19 779 A1 ein Beschleunigungssensor mit einer beweglich an einem Substrat aufgehängten seismischen Masse bekannt. Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors wirken auf die seismische Masse Trägheitskräfte, welche die seismische Masse relativ zum Substrat entlang einer Auslenkungsrichtung auslenken. Der Grad dieser Auslenkung wird mittels Detektionsmitteln vermessen. Die Detektionsmittel umfassen eine Kammelektrodenstruktur aus substratfesten Festelektroden und an der seismischen Masse befestigten Gegenelektroden, welche sich jeweils senkrecht zur Auslenkungsrichtung erstrecken, so dass entlang der Auslenkungsrichtung jeweils eine Gegenelektrode benachbart zu einer Festelektrode angeordnet ist. Zwischen den als Plattenkondensatoren fungierenden Paaren von Gegenelektroden und Festelektroden bilden sich jeweils elektrische Messkapazitäten aus, deren Betrag vom jeweiligen Abstand zwischen den Festelektroden und den Gegenelektroden abhängt. Bei einer Auslenkung der seismischen Masse infolge einer auf den Beschleunigungssensor wirkenden äußeren Beschleunigung verändert sich jeweils der Abstand und somit die elektrische Kapazität zwischen den Festelektroden und den Gegenelektroden. Zur Vermessung der Auslenkung der seismischen Masse werden daher die Änderungen der elektrischen Kapazitäten zwischen den Festelektroden und den zugehörigen Gegenelektroden ausgewertet. Aufgrund der sich entlang der Auslenkungsrichtung gegenüberliegenden Elektroden weist der Beschleunigungssensor eine vergleichsweise gute dynamische Luftdämpfung auf. Ferner führt bei einer derartigen Elektrodenanordnung bereits eine geringe Auslenkung der seismischen Masse zu einer deutlichen Kapazitätsänderung und somit zu einem auswertbaren Messsignal.
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Solche Beschleunigungssensoren werden häufig im Automobilbereich, beispielsweise bei ESP-Systemen (Elektronisches Stabilitätsprogramm) verwendet. Dabei werden die Beschleunigungssensoren an Einbauorten montiert, an denen die Beschleunigungssensoren vergleichsweise starken Vibrationen mit Frequenzanteilen im mehrfachen kHz-Bereich ausgesetzt werden, wie beispielsweise im Motorraum. Damit die Messgenauigkeit des Beschleunigungssensors hierbei nicht beeinträchtigt wird, dürfen diese hochfrequenten Vibrationen kein merkliches Messsignal am Beschleunigungssensor hervorrufen. Es ist daher wünschenswert, dass die Beschleunigungssensoren eine hohe Vibrationsrobustheit aufweisen. Die Vibrationsrobustheit hängt u.a. von der Resonanzfrequenz (des ungedämpften Systems) ab, so dass eine Erniedrigung der Resonanzfrequenz zu einer Verbesserung der Vibrationsrobustheit hinsichtlich höherfrequenter Vibrationen führen würde. Eine Erniedrigung der Resonanzfrequenz führt jedoch auch zu einer Vergrößerung der Amplitude der Auslenkungsbewegung beim Vorliegen einer Beschleunigung. Nachteiligerweise sind bei dem oben beschriebenen bekannten Beschleunigungssensor nur vergleichsweise kleine Auslenkungen realisierbar, da andernfalls bei geringen Beschleunigungskräften das Messsignal zu gering ist und bei großen Beschleunigungskräften die Gefahr besteht, dass ein unerwünschter mechanischer Kontakt zwischen den Festelektroden und den Gegenelektroden entsteht. Eine Verringerung der Resonanzfrequenz ist daher bei den aus dem Stand der Technik bekannten Beschleunigungssensoren nicht möglich.
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Weitere Beschleunigungssensoren sind aus den Druckschriften
EP 2 423 654 A1 und US 2005 / 0 229 704 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensors gemäß den unabhängigen Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass gleichzeitig eine hohe Vibrationsrobustheit und eine hohe dynamische Dämpfung erzielt werden. Dies wird dadurch erzielt, dass die Auslenkungsbewegung in eine Detektionsbewegung übersetzt wird, welche gegenüber der Auslenkungsbewegung eine geringere Amplitude aufweist. Auf diese Weise ist der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit einer im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Resonanzfrequenz auszubilden, ohne dass im Bereich der Detektionseinheit die Gefahr eines mechanischen Kontaktes zwischen Detektionselektroden der Detektionseinheit und den Detektionselektroden zugeordneten Gegenelektroden, vorzugsweise substratfeste Festelektroden, besteht. Ferner sind auch geringe Auslenkungen mit hoher Präzision vermessbar. Eine Erniedrigung der Resonanzfrequenz führt dazu, dass der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor eine erheblich verbesserte Vibrationsrobustheit aufweist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist, dass eine Ausbildung der Detektionseinheit als Plattenkondensatorstruktur ermöglicht wird, so dass durch die sich in Detektionsrichtung gegenüberliegenden Detektionselektroden und Gegenelektroden eine vergleichsweise gute dynamische Luftdämpfung ergibt, wodurch die Vibrationsrobustheit weiter erhöht wird. Außerdem sind durch die Ausbildung als Standard-Plattenkondensatorstrukturen eine präzise Vermessung auch bei geringen Auslenkungen, sowie ein sehr gutes Verhältnis von geringem Platzbedarf und hohem erreichtem Kapazitätssignal zu ermöglichen. Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor ist im Gegensatz zum Stand der Technik daher eine Kombination von hoher Empfindlichkeit (elektrisches Signal), niedriger Resonanzfrequenz und dynamischer Luftdämpfung möglich und ohne signifikante Resonanzüberhöhung möglich. Die Dämpfungseigenschaften des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors werden vorzugsweise durch Gleitfilm- und/oder Quetschfilmdämpfung erhöht, wodurch die Gefahr einer Resonanzüberhöhung weiter reduziert wird. Der Beschleunigungssensor ermöglicht dabei insbesondere eine Umsetzung von Nutzsignalen im Frequenzbereich von wenigen Hertz, während Störsignale im Bereich einiger hundert Hertz stark gedämpft werden. Aufgrund der gesteigerten Vibrationsrobustheit ist der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor an allen möglichen Einbauorten, insbesondere im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, einsetzbar, ohne dass kostenintensive vibrationsreduzierende Maßnahmen beispielsweise auf Systemebene benötigt werden. Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor umfasst insbesondere ein MEMS-Bauelement (Micro Electro Mechanical System), welches in einem Halbleiterherstellungsprozess gefertigt ist. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, welches zur Ausbildung der seismischen Masse, der Detektionseinheit und des Übersetzungsmittels entsprechend strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen eines Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und/oder Bondverfahrens. Als alternative Ausführungsform ist grundsätzlich auch eine Ausführung der Detektionseinheit als Kammelektrodenstruktur denkbar, bei welcher Detektionselektroden der Detektionseinheit sich parallel zur Detektionsrichtung erstrecken und senkrecht zur Detektionsrichtung Gegen- bzw. Festelektroden überlappen, wobei die Größe der Überlappungsfläche entlang der Detektionsrichtung von der Auslenkung der Detektionseinheit entlang der Detektionsrichtung abhängt. Vorteilhafterweise ist hierbei eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit der Kapazitätsänderung von der Detektionsauslenkung gegeben, so dass insbesondere größere Detektionsauslenkungen zu erzielen sind. Die Dämpfung erfolgt hierbei vorzugsweise über Gleitfilm- und/oder Quetschfilmdämpfung. Ferner ist denkbar, dass der Beschleunigungssensor eine Wippenstruktur zur Detektion von Beschleunigungen senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats umfasst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit mittels wenigstens eines Übersetzungsmittels derart mit der seismischen Masse gekoppelt, dass beim Vorliegen einer Auslenkungsbewegung die Amplitude der Auslenkungsbewegung entlang der Auslenkungsrichtung größer als die Amplitude der Detektionsbewegung entlang der Detektionsrichtung ist. In vorteilhafter Weise sorgt das Übersetzungsmittel für eine Umsetzung einer großen Amplitude der Auslenkungsbewegung in eine geringere Amplitude der Detektionsbewegung. Das Übersetzungsmittel ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass das gewünschte Übersetzungsverhältnis von Amplitude der Auslenkungsbewegung zu Amplitude der Detektionsbewegung erzielt wird. Das ein- oder mehrteilige Übersetzungsmittel ist vorzugsweise elastisch verformbar, halbstarr und/oder starr ausgebildet. Denkbar ist ferner, dass das Übersetzungsmittel als Teil der seismischen Masse und/oder der Detektionseinheit ausgebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Übersetzungsmittel als elastisch verformbare Federeinheit ausgebildet, über welche die seismische Masse und die Detektionseinheit miteinander gekoppelt sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Übersetzungsmittel ein im Wesentlichen starres Hebelelement umfasst, wobei das Hebelelement in einem ersten Bereich an der seismischen Masse, in einem zweiten Bereich an der Detektionseinheit und in einem dritten Bereich am Substrat befestigt ist und wobei das Hebelelement jeweils elastisch an der seismischen Masse, an der Detektionseinheit und am Substrat befestigt ist. In vorteilhafter Weise wird durch die Ausbildung des Übersetzungsmittels in Form des im dritten Bereich an das Substrat angebundenen starren Hebelelements eine wohldefinierte Übersetzung der Auslenkungsbewegung in die Detektionsbewegung erzielt. Eine solch präzise Übersetzung gewährleistet, dass die Messgenauigkeit des Beschleunigungssensors durch die Trennung von Auslenkungsbewegung und Detektionsbewegung nicht beeinträchtigt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein erster Abstand zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich entlang des Hebelelements größer als ein zweiter Abstand zwischen dem zweiten Bereich und dem dritten Bereich ist. In vorteilhafter Weise lässt sich über das geometrische Verhältnis zwischen dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand die Übersetzung der Auslenkungsbewegung in die Detektionsbewegung bestimmen. Das Verhältnis von erstem Abstand zu zweiten Abstand entspricht vorzugsweise dem Verhältnis der Amplitude der Auslenkungsbewegung zur Amplitude der Detektionsbewegung. Mit anderen Worten: Wenn der zweite Abstand um einen Faktor X kleiner als der erste Abstand ist, so wird mittels des Übersetzungsmittels die Amplitude der Auslenkungsbewegung insbesondere in eine um den Faktor X verringerte Detektionsbewegung übersetzt. Das Amplitudenverhältnis ist somit in einfacher Art und Weise durch das Design des Beschleunigungssensors zu bestimmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Übersetzungsmittel ein Federübersetzungsmittel aufweist, wobei das Federübersetzungsmittel vorzugsweise entlang der Auslenkungsrichtung weicher als senkrecht zur Auslenkungsrichtung ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise sorgt das als Federübersetzungsmittel ausgebildete Übersetzungsmittel für eine Umsetzung einer großen Amplitude der Auslenkungsbewegung in eine geringere Amplitude der Detektionsbewegung. Das Federübersetzungsmittel weist vorzugsweise einen ersten Elastizitätsbereich, welcher eine Anbindung der Detektionseinheit an das Substrat umfasst, und einen zweiten Elastizitätsbereich, welcher eine Anbindung der seismischen Masse an die Detektionseinheit umfasst. Der zweite Elastizitätsbereich weist vorzugsweise ein größeres Elastizitätsmodul als der erste Elastizitätsbereich auf. insbesondere weist der zweite Elastizitätsbereich hierfür eine größere Erstreckung entlang der Auslenkungsrichtung als der erste Elastizitätsbereich auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Masse der seismischen Masse um ein Vielfaches größer als die Masse der Detektionseinheit und insbesondere um ein Vielfaches größer als die Summe der Massen der Detektionseinheit und des Übersetzungsmittels ist. In vorteilhafter Weise weist die seismische Masse somit eine vergleichsweise große Masse auf, wodurch die Resonanzfrequenz erheblich verringert wird und Auslenkungsbewegungen mit vergleichsweise großen Amplituden realisierbar sind. Vorzugsweise wird bei einem solchen Aufbau eine Quetschfilmdämpfung im Bereich der Detektionselektroden und/oder eine Gleitfilmdämpfung im Bereich von Dämpfungselektroden realisiert, so dass es vorteilhafterweise zu keiner signifikanten Resonanzüberhöhung kommt. Die Detektionseinheit weist vorzugsweise eine vergleichsweise geringe Masse auf, so dass die Detektionsbewegung im Wesentlichen allein durch die Auslenkungsbewegung der seismischen Masse und nicht durch auf die Detektionseinheit wirkende Beschleunigungskräfte dominiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit eine erste Teildetektionseinheit und eine zweite Teildetektionseinheit umfasst, wobei die erste und die zweite Teildetektionseinheiten vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert sind. In vorteilhafter Weise wird somit eine differentielle (teil- oder volldifferentielle) Auswertung der Detektionsbewegung ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die seismische Masse eine erste Teilmasse und eine zweite Teilmasse umfasst, wobei die erste und die zweite Teilmasse vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert sind und wobei die erste Teildetektionseinheit mit der ersten Teilmasse und die zweite Teildetektionseinheit mit der zweiten Teilmasse gekoppelt ist. Auf diese Weise ist die elektrische Isolierung der ersten Teildetektionseinheit von der zweiten Teildetektionseinheit besonders einfach zu realisieren, da die erste und die zweite Teildetektionseinheiten nicht mit einer gemeinsamen seismischen Masse verbunden werden müssen, sondern jeweils nur mit einer eigenen Teilmasse gekoppelt sind. Ferner ist auf diese Weise ein vergleichsweise symmetrischer Aufbau des Beschleunigungssensors zu erzielen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die seismische Masse, die Detektionseinheit und das Übersetzungsmittel an einem gemeinsamen zentralen Substratverankerungspunkt mittelbar an das Substrat gekoppelt sind. In vorteilhafter Weise wird der Einfluss von Substratverbiegungen, beispielsweise hervorgerufen von Temperaturschwankungen oder äußerem Stress, auf den Beschleunigungssensor reduziert, so dass eine Beeinträchtigung der Messgenauigkeit des Beschleunigungssensors verhindert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Übersetzungsmittel zur Übersetzung der Auslenkungsbewegung in die Detektionsbewegung im Rahmen einer Übersetzungsbewegung bewegbar ist, wobei die Übersetzungsbewegung eine Rotationsbewegung des Hebelelements um eine zum Substrat senkrechte Drehachse umfasst und die Auslenkungsrichtung antiparallel oder parallel zur Detektionsrichtung ausgerichtet ist, wobei die Drehachse senkrecht zum Substrat vorzugsweise um einen als Angelpunkt des Hebelelements ausgebildeten dritten Bereich verläuft. In vorteilhafter Weise wird somit eine effektive Umsetzung der Auslenkungsbewegung in die Detektionsbewegung ermöglicht. Vorzugsweise sind durch die Wahl eines entsprechenden Hebelverhältnisses vergleichsweise hohe Übersetzungsverhältnisse zu erzielen. Die seismische Masse ist vorzugsweise als Rahmenstruktur ausgebildet, wobei die Detektionseinrichtung in einer Ebene parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats innerhalb der Rahmenstruktur angeordnet ist, so dass eine vergleichsweise bauraumkompakte Anordnung ermöglicht wird. Das Übersetzmittel ist vorzugsweise jeweils über ein Federelement, vorzugsweise in Form einer Biegefeder mit der seismischen Masse und mit der Detektionseinrichtung verbunden. Im dritten Bereich ist das Übersetzungsmittel verzugsweise mittels zweier seitlich am Übersetzmittel angreifenden Biegefedern an Substratverankerungen elastisch befestigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Übersetzungsmittel zur Übersetzung der Auslenkungsbewegung in die Detektionsbewegung im Rahmen einer Übersetzungsbewegung bewegbar ist, wobei die Übersetzungsbewegung vorzugsweise eine Translationsbewegung parallel zur Auslenkungsrichtung und parallel zur Detektionsrichtung umfasst. In vorteilhafter Weise sind in dieser Ausführungsform die Auslenkungsbewegung, die Übersetzungsbewegung und die Detektionsbewegung jeweils parallel zueinander. Das Übersetzungsmittel ist dabei vorzugsweise mit der seismischen Masse und dem Substrat über Federelemente, beispielsweise Doppel-U-Federn, verbunden, welche in Richtung der Auslenkungsrichtung jeweils weicher als senkrecht zur Auslenkungsrichtung ausgebildet sind. Vorzugsweise ist die Detektionseinrichtung ferner über Federelemente, beispielsweise Doppel-U-Federn am Substrat elastisch befestigt, welche in Richtung der Auslenkungsrichtung ebenfalls weicher als senkrecht zur Auslenkungsrichtung ausgebildet sind. In dieser Ausführungsform ist das Übersetzungsmittel insbesondere als das Federübersetzungsmittel ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit eine Mehrzahl von sich jeweils senkrecht zur Detektionsrichtung erstreckenden Detektionselektroden umfasst, wobei bevorzugt jeder Detektionselektrode wenigstens eine in Detektionsrichtung die Detektionselektrode überlappende Festelektrode zugeordnet ist und wobei besonders bevorzugt jeder Detektionselektrode vorzugsweise die Detektionselektrode überlappende zwei Festelektroden zugeordnet sind und die Detektionselektroden sich in Detektionsrichtung zwischen den zwei Festelektroden angeordnet ist. In vorteilhafter Weise weist der Beschleunigungssensor somit eine einfache Plattenkondensatorstruktur oder eine differenziell auswertbare Plattenkondensatorstruktur auf, welche eine vergleichsweise präzise Vermessung auch kleiner Auslenkungen, sowie eine hohe dynamische Luftdämpfung ermöglicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit mittels eines weiteren Übersetzungsmittels derart mit der seismischen Masse gekoppelt ist, dass die Amplitude der Auslenkungsbewegung entlang der Auslenkungsrichtung größer als die Amplitude der Detektionsbewegung entlang der Detektionsrichtung ist, wobei das weitere Übersetzungsmittel im Wesentlichen baugleich zum Übersetzungsmittel ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise wird somit eine im Wesentlichen punkt- oder spiegelsymmetrische Ausbildung des Beschleunigungssensors ermöglicht, wodurch eine unerwünschte Auslenkung der Detektionseinrichtung senkrecht zur Detektionsrichtung unterdrückt wird. Das weitere Übersetzungsmittel ist wie das Übersetzungsmittel entweder auch als Hebelelement oder als Federübersetzungsmittel ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Beschleunigungssensor eine Dämpfungsstruktur aufweist, wobei bevorzugt die Dämpfungsstruktur an der seismischen Masse befestigte erste Dämpfungselektroden und korrespondierende substratfeste zweite Dämpfungselektroden umfasst, wobei besonders bevorzugt die ersten und zweiten Dämpfungselektroden sich im Wesentlichen jeweils parallel zur Auslenkungsrichtung erstrecken und als ineinandergreifende Kammstrukturen ausgebildet sind. Die Dämpfungsstrukturen sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Verankerungspunkt, welcher besonders bevorzugt in einem Zentralbereich des Beschleunigungssensors angeordnet ist, an das Substrat angebunden ist, um den Einfluss von Substratverbiegungen möglichst gering zu halten. Die Dämpfungsstrukturen sind vorzugsweise ferner derart ausgelegt, dass mittels der Dämpfungsstrukturen die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors während eines finalen Kalibrier- und/oder Testverfahrens im Herstellungsprozeß des Beschleunigungssensors abgeglichen werden kann, ohne dass dafür ein Stimulus von außen notwendig ist. Es wird dabei vorzugsweise in einem ersten Bereich der Dämpfungsstruktur eine erste Auslenkungsspannung zwischen ersten und zweiten Dämpfungselektroden angelegt und in einem zweiten Bereich der Dämpfungsstruktur eine zweite Auslenkungsspannung zwischen ersten und zweiten Dämpfungselektroden angelegt. Anschließend wird zur Bestimmung der Messempfindlichkeit des Beschleunigungssensors das Ausgangssignal ausgewertet und in Abhängigkeit der ersten und zweiten Auslenkungsspannung analysiert. Ferner werden die Dämpfungsstrukturen vorzugsweise für eine Selbsttest-Überwachung (kontinuierlich oder entsprechend gesteuert) des Beschleunigungssensors verwendet. Hierbei wird die seismische Masse mittels der Dämpfungsstrukturen zu einer Auslenkung angeregt und die Auslenkung mittel der Detektionseinheit vermessen. Es wird dabei gemessen, ob die seismische Masse noch ordnungsgemäß innerhalb der Sensorstruktur angeordnet und beweglich ist, d.h. es wird geprüft, ob aufgrund von Partikeln, Federbrüchen, Verklemmen oder Verkanten eine eingeschränkte Funktionalität gegeben ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Beschleunigungssensor erste und zweite Dämpfungselektroden aufweist, wobei vorzugsweise die ersten Dämpfungselektroden fest mit der seismischen Masse verbunden sind und wobei die zweiten Dämpfungselektroden substratfest ausgebildet sind. Die Dämpfungselektroden erstrecken sich vorzugsweise entlang der Auslenkungsrichtung und dienen zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften. Die Dämpfungsstrukturen 90 sind dabei derart ausgelegt, dass mittels der Dämpfungsstrukturen 90 die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 1 im Endmessen abgeglichen werden kann, ohne dass dafür ein Stimulus notwendig ist. Ferner werden die Dämpfungsstrukturen 90 vorzugsweise für eine Selbsttest-Überwachung des Beschleunigungssensors 1 verwendet. Es wird dabei gemessen, ob die seismische Masse 10 noch ordnungsgemäß innerhalb der Sensorstruktur angeordnet und beweglich ist, d.h. es wird geprüft, ob aufgrund von Partikeln, Federbrüchen, Verklemmen oder Verkanten eine eingeschränkte Funktionalität gegeben ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensor, wobei die seismische Masse aufgrund der auf den Beschleunigungssensor einwirkenden äußeren Beschleunigung zur Auslenkungsbewegung ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkungsbewegung mittels des Übersetzungsmittels in die Detektionsbewegung der Detektionseinheit derart übersetzt wird, dass die Amplitude der Auslenkungsbewegung entlang der Auslenkungsrichtung größer als die Amplitude der Detektionsbewegung entlang der Detektionsrichtung ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in vorteilhafter Weise einen Betrieb eines Beschleunigungssensors mit im Vergleich zum Stand der Technik erheblich verbesserter Vibrationsrobustheit. Dies wird - wie oben ausgeführt wurde - dadurch erreicht, dass die Auslenkungsbewegung mittels des Übersetzungsmittels in eine Detektionsbewegung umgewandelt wird, welche im Vergleich zur Auslenkungsbewegung kleiner Amplituden aufweist. Dies ermöglicht einen Betrieb des Beschleunigungssensors mit vergleichsweise geringen Resonanzfrequenzen und großen Auslenkungsbewegungen, ohne dass im Detektionsbereich die Gefahr des Aufeinanderschlagens der Elektroden besteht. Ferner ist eine präzise Vermessung auch kleiner Auslenkungsbewegungen möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Übersetzungsmittel von der seismischen Masse zu einer Übersetzungsbewegung angetrieben wird, welche eine Rotationsbewegung um eine zum Substrat senkrechte Drehachse oder welche eine Translationsbewegung parallel zur Auslenkungsrichtung umfasst.
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Für das Verfahren zum Betrieb des Beschleunigungssensors können die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die im Zusammenhang mit den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor beschrieben wurden.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
- 1 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 3 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 4 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 5 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 6 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 7 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 8 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 9 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 10 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 11 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
- 12 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
- 13 eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Beschleunigungssensor 1 umfasst beispielsweise ein MEMS- (Micro Electro Mechanical System) Bauelement mit einem aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium gefertigten Substrat 2. Ferner weist der Beschleunigungssensor 1 eine seismische Masse 10 und eine Detektionseinheit 20 auf. Das Substrat 2 wurde vorzugsweise in einem Standard-Halbleiterherstellungsprozess, insbesondere im Rahmen eines Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und/oder Bondverfahrens, zur Ausbildung der seismischen Masse 10, sowie der Detektionseinheit 20 entsprechend strukturiert wird. Die seismische Masse 10 ist gegenüber dem Substrat 2 im Rahmen einer Auslenkungsbewegung 11 auslenkbar. Die Auslenkungsbewegung 11 erfolgt entlang einer Auslenkungsrichtung 101, welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2 erstreckt. Wenn der Beschleunigungssensor 1 parallel zur Auslenkungsrichtung 101, d.h. parallel zu seiner Sensierrichtung eine Beschleunigung erfährt, wirkt auf die seismische Masse 10 eine der Beschleunigung entgegengesetzte Trägheitskraft, wodurch die seismische Masse 10 gegenüber dem Substrat 2 zur Auslenkungsbewegung 11 ausgelenkt wird. Die Detektionseinheit 20 dient zur Detektion der Auslenkungsbewegung 11. Hierfür umfasst die Detektionseinrichtung 20 einen Detektionskörper 23, an welchem in Form einer Kammelektrodenstruktur eine Vielzahl Detektionselektroden 22 befestigt ist. Die Detektionseinrichtung 20 ist gegenüber dem Substrat 2 beweglich aufgehängt, so dass die Detektionseinrichtung 20 zu einer Detektionsbewegung 21 entlang einer zur Auslenkungsbewegung 11 antiparallel ausgerichteten Detektionsrichtung 102 anregbar ist. Die Detektionseinheit 20 ist dabei als freitragende Struktur ausgebildet, welche lediglich über erste Federelemente 40 am Substrat 2 befestigt ist. Die ersten Federelemente 40 sind in Form von Doppel-U-Federn ausgebildet und greifen an entsprechenden substratfesten Verankerungselementen 5 des Substrats 2 an. Die ersten Federelemente 40 sind entlang der Detektionsrichtung 102 weicher als senkrecht zur Detektionsrichtung 102 ausgebildet. Die Detektionselektroden 22 erstrecken sich parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur Detektionsrichtung 102. Nahezu jeder Detektionselektrode 22 (abgesehen von den Randbereichen) sind zwei Festelektroden 4, 4' derart zugeordnet, dass die Detektionselektroden 22 entlang der Detektionsrichtung 102 jeweils zwischen zwei Festelektroden 4, 4' angeordnet sind und jede Detektionselektrode 22 mit beiden Festelektroden 4, 4' jeweils einen Plattenkondensator bildet. Eine Bewegung der Detektionseinrichtung 20 entlang der Detektionsrichtung 102 führt dazu, dass sich jeweils ein geometrischer Abstand zwischen der Detektionselektrode 22 und einer der Festelektroden 4, 4' verringert, während sich der geometrische Abstand zwischen der Detektionselektrode 22 und der anderen Festelektrode 4, 4' vergrößert. Diese Abstandsänderung ist über eine differenzielle Auswertung der jeweiligen Kapazitätsänderungen zwischen jedem Detektionselektroden-Festelektroden-Paar zu bestimmen und ergibt ein Maß für die Auslenkung der Detektionseinrichtung 20 gegenüber dem Substrat 2.
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Der Beschleunigungssensor 1 weist ferner ein Übersetzungsmittel 30 auf, welches die seismische Masse 10 und die Detektionseinrichtung 20 miteinander koppelt. Das Übersetzungsmittel 30 umfasst im vorliegenden Beispiel hierzu ein freitragendes und im Wesentlichen starres Hebelelement 32, dessen eines Ende (entspricht dem ersten Bereich 33) über ein in Form einer Biegefeder ausgebildetes zweites Federelement 41 mit der seismischen Masse 10 verbunden ist und dessen anderes Ende (entspricht dem zweiten Bereich 34) über ein ebenfalls in Form einer Biegefeder ausgebildetes drittes Federelement 42 mit der Detektionseinrichtung 10, insbesondere mit dem Detektionskörper 23 verbunden ist. Das zweite und dritte Federelement 41, 42 sind zumindest in einer Ausgangsposition des Übersetzungsmittels gegenüber parallel zur Auslenkungsrichtung 101 wirkenden Kräften weicher ausgebildet, als gegenüber senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101 wirkenden Kräften. Das Übersetzungsmittel 30 weist ferner einen dritten Bereich 35 auf, an welchem das Übersetzungsmittel 30 über vierte Federelemente 43 in Form von Biegefedern mit dem Substrat 2 derart elastisch verbunden ist, dass das Hebelelement 32 im dritten Bereich 35 eine Art Angelpunkt aufweist. Der Angelpunkt ist gegenüber translatorischen Bewegungen im Wesentlichen substratfest, wobei das Hebelelement 32 aufgrund der entlang der Auslenkungsrichtung 101 symmetrisch an Seitenbereichen des Hebelelements 32 angreifenden Biegefedern um den Angelpunkt in Form einer Übersetzungsbewegung 31 drehbar ist. Die Übersetzungsbewegung 31 umfasst somit eine Rotationsbewegung 38 um eine zur Haupterstreckungsebene 100 und durch den dritten Bereich 35 verlaufende Drehachse 38'. Das Übersetzungsmittel 30 ist derart ausgebildet, dass ein erster Abstand 36 zwischen dem ersten Bereich 33 und dem dritten Bereich 35 deutlich größer als ein zweiter Abstand 37 zwischen dem zweiten Bereich 34 und dem dritten Bereich 35 entlang des Hebelelements 32 ist. Dies führt dazu, dass eine Auslenkung der seismischen Masse 10 in Form der Auslenkungsbewegung 11 entlang der Auslenkungsrichtung 101 eine Rotationsbewegung 38 des Übersetzungsmittels 30 um die Drehachse 38' bewirkt und somit die Detektionseinrichtung 20 zu der Detektionsbewegung 21 antiparallel zur Auslenkungsbewegung 11 angeregt wird. Da der zweite Abstand 37 deutlich geringer als der erste Abstand 36 ist, erfolgt die Übersetzung der Auslenkungsbewegung 11 derart, dass die Amplitude der Detektionsbewegung 21 deutlich kleiner als die Amplitude der Auslenkungsbewegung 11 ist. Die seismische Masse 10 ist ebenfalls freitragend ausgebildet und mittels nicht abgebildeter zweiter Federelemente am Substrat 2 elastisch befestigt. Aufgrund der Übersetzung von großen Amplituden der Auslenkungsbewegung 101 in kleinere Amplituden der Detektionsbewegung 102 mittels des Übersetzungsmittels 30 kann die Masse der seismischen Masse 10 vergleichsweise groß gewählt werden, da trotz großer Auslenkungen der seismischen Masse 10 die Detektionseinrichtung 20 nur geringere Auslenkungen durchführt, so dass eine Detektion der Auslenkungsbewegung mittels einer Kamm- bzw. Plattenkondensatorstruktur ermöglicht wird. Die Kamm- bzw. Plattenkondensatorstruktur ermöglicht dabei eine gute dynamische Luftdämpfung. Durch die Erhöhung der Masse wandert ferner die Resonanzfrequenz zu kleineren Frequenzen, wodurch die Vibrationsrobustheit gesteigert wird. Die Amplitude der Detektionsbewegung 102 wird durch das Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Abstand 36, 37, sowie durch das Verhältnis der Masse der seismischen Masse 10, sowie der Masse der Detektionseinrichtung 20 bestimmt. Wenn man die Masse der seismischen Masse 10 derart groß gegenüber den Massen der Federelemente, des Übersetzungsmittels 30 und der Detektionseinrichtung 20, dass die effektive Masse überwiegend durch die seismische Masse 10 bestimmt wird, gilt („A2“ entspricht dem zweiten Abstand, „A1“ dem ersten Abstand, „a“ der Beschleunigung des Beschleunigungssensors, „f“ der Frequenz und „x“ der Auslenkung an der Detektionseinrichtung):
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Wenn beispielsweise eine Resonanzfrequenz von f = 100 Hz, eine maximale Amplitude der Detektionsbewegung x = 2 µm und eine Beschleunigung a = 5 g (g=Erdbeschleunigung) wird ein Verhältnis zwischen dem zweiten und dem ersten Abstand 37, 36 von ca. 60:1 benötigt. Die Amplitude der Auslenkungsbewegung ist dabei deutlich größer als 5 µm, insbesondere ungefähr 12 µm. Die Bandbreite des Beschleunigungssensors 1 wird über die effektive Masse, sowie die effektive Federwirkung eingestellt. Vorzugsweise ist bei dem Beschleunigungssensor 1 ferner eine Gleitfilm- und/oder Quetschfilmdämpfung zur Verbesserung der Dämpfungseigenschaften realisiert.
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In 2 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der anhand 1 beschriebenen ersten Ausführungsform gleicht. Die seismische Masse 10 ist hierbei in Form einer äußeren Rahmenstruktur ausgebildet, wobei die Detektionseinrichtung 20 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 innerhalb der Rahmenstruktur angeordnet ist. Die seismische Masse 10 ist mittels zweier fünfter Federelemente 44 in Form von Doppel-U-Federn, die in Auslenkungsrichtung 101 weicher als senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101 ausgebildet sind, über Verankerungselemente 5 am Substrat 2 befestigt. Die Detektionseinrichtung 20 umfasst eine innere Rahmenstruktur, innerhalb derer die Detektionselektroden 22 angeordnet sind. Die innere Rahmenstruktur ist hier mittels zueinander punktsymmetrisch ausgebildeter Übersetzungsmittel 30, 30' mit der äußeren Rahmenstruktur gekoppelt, wobei jeweils an einem Ende des Hebelelements 32, 32' der dritte Bereich 35, 35' und am anderen Ende der erste Bereich 33, 33' angeordnet ist, so dass der zweite Bereich 34, 34' entlang der Hebelelemente 32, 32' zwischen dem ersten und dem dritten Bereich 33, 33', 35, 35' liegt. Die Hebelelemente 32, 32' führen somit jeweils eine Schwenkbewegung um den im dritten Bereich 35, 35' angeordneten Angelpunkt als Übersetzungsbewegungen 31, 31' durchführen.
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In 3 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die dritte Ausführungsform im Wesentlichen der in 2 illustrierten zweiten Ausführungsform gleicht, wobei die seismische Masse 10 in vier gleich große Teilmassen 50 aufgeteilt ist, welche an einer Seite jeweils über ein als Doppel-U-Feder ausgebildetes Federelement 51 mit einem Verankerungselement 5 verbunden sind und an der anderen Seite jeweils über eine Biegefeder 52 mit einem als Hebelelement 32 ausgebildeten Übersetzungsmittel 30 gekoppelt sind. Insgesamt weist der Beschleunigungssensor 1 somit vier Übersetzungsmittel 30 auf, welche allesamt mit einem zentral angeordneten Detektionseinrichtung 20 über weitere Biegefern 53 gekoppelt sind. Die Auslenkungsbewegung 11 und die Detektionsbewegung 21 sind in diesem Beispiel antiparallel zueinander und gegensinnig ausgerichtet.
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In 4 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die vierte Ausführungsform im Wesentlichen der in 3 illustrierten dritten Ausführungsform gleicht, wobei die beiden jeweils als starre Hebelelemente 32, 32' ausgebildete Übersetzungsmittel 30, 30' entlang der Auslenkungsrichtung 101 mittig am äußeren Rahmenelement und an einem sich parallel zur Auslenkungsrichtung 101 erstreckenden Detektionskörper 23 angreifen. Der Beschleunigungssensor 1 weist eine Dämpfungsstruktur 90 in Form von sich entlang der Auslenkungsrichtung 101 erstreckende erste und zweite Dämpfungselektroden 91, 92 auf, wobei die ersten Dämpfungselektroden 91 fest mit der seismischen Masse 10 verbunden sind und wobei die zweiten Dämpfungselektroden 92 substratfest ausgebildet sind. Zwischen den ersten und zweiten Dämpfungselektroden 91, 92 ist vorzugsweise eine Gleitfilmdämpfung realisiert, während zwischen den Detektionselektroden 22 und Festelektroden 4, 4' vorzugsweise jeweils eine Quetschfilmdämpfung realisiert ist.
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In 5 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die fünfte Ausführungsform im Wesentlichen der in 4 illustrierten vierten Ausführungsform gleicht, wobei innerhalb der als äußeres Rahmenelement ausgebildeten seismischen Masse 10 ausschließlich erste und zweite Dämpfungselektroden 91, 92 angeordnet sind und die Detektionseinrichtung 20 außerhalb des Rahmenelements angeordnet ist. Die Detektionseinrichtung 20 ist über ein einziges Übersetzungsmittel 30 mit der seismischen Masse 10 verbunden, wobei das Übersetzungsmittel 30 durch eine Öffnung 62 im Rahmenelement verläuft und auf einer der Öffnung 62 gegenüberliegenden Seite am Rahmenelement befestigt ist. Der dritte Bereich 35 zur Anbindung des Übersetzungsmittels 30 an das Substrat 2 ist im Bereich der Öffnung 62 angeordnet, so dass sich im dritten Bereich 35 der Angelpunkt ausgebildet, in welchem das Übersetzungsmittel 30 im Rahmen einer Übersetzungsbewegung 31 drehbar gelagert ist.
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In 6 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, welche im Wesentlichen der in 5 gezeigten fünften Ausführungsform gleicht, wobei das Rahmenelement in Umfangsrichtung geschlossen ausgebildet ist und das Übersetzungsmittel 30 an einer senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101 zwischen den fünften Federelementen 44 angeordneten Seite der seismischen Masse 10 angreift. Das Übersetzungsmittel 30 ist ferner U-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel 70 am Rahmenelement und ein zweiter Schenkel 71 an der Detektionseinrichtung 20 befestigt ist, wobei der erste und zweite Schenkel 70, 71 jeweils parallel zur Auslenkungsrichtung 101 verlaufen. Der den ersten und zweiten Schenkel 70, 71 verbindende dritte Schenkel 72 verläuft senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101 und weist den dritten Bereich zur Anbindung des Übersetzungsmittels 30 an das Substrat 2 auf.
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In 7 ist eine schematische Ansicht des Beschleunigungssensors 1 gemäß einer siebten Ausführungsform bzw. eine schematische Prinzipskizze, die den erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor 1 illustriert, so dass anhand der 7 das allgemeine Grundprinzip der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors 1 erläutert wird. Des Beschleunigungssensor 1 umfasst die seismische Masse 10 und die ebenfalls eine gewisse Masse aufweisende Detektionseinheit 20. Die Detektionseinheit 20 ist über ein erstes Federelement 40 an einem festen Bezugspunkt, hier beispielhaft das Substrat 2, elastisch auslenkbar befestigt. Die seismische Masse 10 ist mittels eines als Federeinheit 30" ausgebildeten Übersetzungsmittels 30 mit der Detektionseinheit 20 gekoppelt. Die Federsteifigkeit des ersten Federelements 40 ist dabei höher als die Federsteifigkeit der Federeinheit 30". Die seismische Masse 10 und die Detektionseinheit 20 weisen ferner jeweils eine Dämpfung 90 auf. Die seismische Masse 10 und die Detektionseinheit 20 stellen somit zwei miteinander gekoppelte separate Feder-Masse-Systeme mit unterschiedlichen Charakteristiken dar, so dass beim Vorliegen einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors 1 eine Auslenkungsbewegung 11 der seismischen Masse 10 entlang der Auslenkungsrichtung 101 eine größere Amplitude aufweist, als die Detektionsbewegung 21 der Detektionseinheit 20 entlang der zur Auslenkungsrichtung 101 parallelen Detektionsrichtung 102.
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In 8 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die achte Ausführungsform im Wesentlichen der anhand 2 beschriebenen zweiten Ausführungsform ähnelt. im Unterschied zur zweiten Ausführungsform sind die Übersetzungsmittel 30, 30' bei der achten Ausführungsform jedoch nicht als starre Hebelelemente 32, 32', sondern als Federübersetzungsmittel 60, 60', 60'', 60''' ausgebildet. Die seismische Masse 10, welche sich im Wesentlichen senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101 erstreckt, ist entlang der Auslenkungsrichtung 101 in seinen zwei Endbereichen jeweils zwischen zwei Federübersetzungsmitteln 60, 60' angeordnet. Jedes der Federübersetzungsmittel 60, 60' umfasst eine Mehrzahl von entlang der Auslenkungsrichtung 101 hintereinander angeordneten Doppel-U-Federn 66, wobei ein Ende jedes Federübersetzungsmittels 60, 60' jeweils an der seismischen Masse 10 und das andere Ende jedes Federübersetzungsmittels 60, 60' an einem substratfesten Verankerungselement 5 befestigt ist. Der Beschleunigungssensor 1 weist zwei Detektionseinheiten 20, 20' auf, wobei die seismische Masse 10 entlang der Auslenkungsrichtung 101 zwischen den beiden Detektionseinheiten 20, 20' angeordnet ist. Jede der beiden Detektionseinheiten 20, 20' ist über zwei sich senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101 zu den Federübersetzungsmitteln 60, 60' erstreckenden Verbindungsbalken 65, 65' mit zweien der Federübersetzungsmittel 60, 60' gekoppelt. Bei jedem Federübersetzungsmittel 60, 60' ist der Abstand vom Anknüpfungspunkt des Verbindungsbalkens 65, 65' am Federübersetzungsmittel 60, 60' zum Verankerungselement 5 (entspricht einem ersten Elastizitätsbereich 61) kleiner als der Abstand vom Anknüpfungspunkt des Verbindungsbalkens 65, 65' am Federübersetzungsmittel 60, 60' zum Anknüpfungspunkt der seismischen Masse 10 am Federübersetzungsmittel 60, 60' (entspricht einem zweiten Elastizitätsbereich 64). Eine große Auslenkungsbewegung 11 wird von den Federübersetzungsmitteln 60, 60' jeweils in eine kleinere Detektionsbewegung 21 bei jedem der beiden Detektionseinheiten 20, 20' übersetzt. Die Verbindungsbalken 65, 65' sind hier beispielsweise einstückig mit den Detektionskörpern 23, 23' der Detektionseinheiten 20, 20' verbunden. Die Auslenkungsbewegung 11 und die Detektionsbewegung 21 sind in diesem Beispiel parallel zueinander und gleichsinnig ausgerichtet.
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In 9 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert, welche im Wesentlichen der in 8 gezeigten achten Ausführungsform ähnelt, wobei der Beschleunigungssensor 1 gemäß der neunten Ausführungsform einen am Substrat 2 befestigten zentralen Substratverankerungspunkt 80 aufweist, der in einem Zentralbereich des Beschleunigungssensors 1 angeordnet ist. Von dem Substratverankerungspunkt 80 erstreckt sich parallel zum Substrat 2 und senkrecht zur Auslenkungs- und Detektionsrichtung 101, 102 ein starrer Befestigungsbalken 81. An den beiden Endpunkten des Befestigungsbalkens 81 greifen jeweils die als Federübersetzungsmittel 60, 60' ausgebildeten Übersetzungsmittel 30, 30' zur Anbindung der Federübersetzungsmittel 60, 60' an das Substrat 2 an. Die Federübersetzungsmittel 60, 60' sind wiederum in Form von entlang der Auslenkungs- und Detektionsrichtung 101, 102 weich ausgebildeten Doppel-U-Federn 66 ausgeführt. Die dem Befestigungsbalken 81 abgewandten Enden der Federübersetzungsmittel 60, 60' sind jeweils mit der als umlaufenden Rahmen ausgebildeten seismischen Masse 10 gekoppelt. Zwischen der Anbindung an die seismische Masse 10 und der Anbindung an den Befestigungsbalken 81 greift jeweils ein Verbindungsbalken 65, 65' an ein Federübersetzungsmittel 60, 60' an. Die Detektionseinheit 20 des Beschleunigungssensors 1 umfasst im vorliegenden Beispiel eine erste Teildetektionseinheit 20' und eine zweite Teildetektionseinheit 20". Einer der beiden Verbindungsbalken 65 ist starr mit der ersten Teildetektionseinheit 20' verbunden, während der andere der beiden Verbindungsbalken 65' starr mit der zweiten Teildetektionseinheit 20" verbunden ist. Die erste und zweite Teildetektionseinheit 20', 20" sind elektrisch voneinander isoliert, so dass insbesondere eine inverse Detektion der Detektionsauslenkung 21 ermöglicht wird und somit die Detektionsauslenkung 21 differenziell ausgewertet werden kann. Die Federübersetzungsmittel 60, 60' weisen zwischen dem Anbindungspunkt der Verbindungsbalken 65, 65' und dem Anbindungspunkt an den Befestigungsbalken 80 eine geringere Anzahl von Doppel-U-Federn 66 auf, als zwischen dem Anbindungspunkt an die seismische Masse 10 und dem Anbindungspunkt der Verbindungsbalken 65, 65'. Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors 1 entlang der Auslenkungsrichtung wird daher die seismische Masse 10 entlang der Auslenkungsrichtung 101 stärker ausgelenkt als die Detektionseinheiten 20. Ferner weist der Beschleunigungssensor 1 vier Dämpfungsstrukturen 90 auf, welche jeweils in den vier Ecken der als Rahmen ausgebildeten seismischen Masse 10 angeordnet sind. Jede der Dämpfungsstrukturen 90 umfasst an der seismischen Masse 10 befestigte erste Dämpfungselektroden 91 und korrespondierende substratfeste zweite Dämpfungselektroden 92. Die ersten und zweiten Dämpfungselektroden 91, 92 erstrecken sich jeweils parallel zur Auslenkungsrichtung 101. Senkrecht zur Auslenkungsrichtung 101 ist immer eine erste Dämpfungselektrode 91 zwischen zwei zweiten Dämpfungselektroden 92 angeordnet. Die zweiten Dämpfungselektroden 92 sind über eine gemeinsame weitere Substratverankerung 5' am Substrat 2 befestigt. Die Dämpfungsstrukturen 90 sind dabei derart ausgelegt, dass mittels der Dämpfungsstrukturen 90 die seismische Masse 10 zu einer Auslenkung angeregt werden kann, so dass in Abhängigkeit dieser Auslenkung die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 1 abgeglichen werden kann, ohne dass dafür ein Stimulus von Außen notwendig ist. Ferner werden die Dämpfungsstrukturen 90 vorzugsweise für eine Selbsttest-Überwachung des Beschleunigungssensors 1 verwendet. Es wird dabei gemessen, ob die seismische Masse 10 noch ordnungsgemäß innerhalb der Sensorstruktur angeordnet und beweglich ist, d.h. es wird geprüft, ob aufgrund von Partikeln, Federbrüchen, Verklemmen oder Verkanten eine eingeschränkte Funktionalität gegeben ist.
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In 10 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer beispielhaften zehnten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die zehnte Ausführungsform im Wesentlichen der in 9 illustrierten neunten Ausführungsform gleicht. Im Unterschied zur neunten Ausführungsform weist die zehnte Ausführungsform keinen Befestigungsbalken 81 auf. Die Federübersetzungsmittel 60, 60' greifen daher direkt am zentralen Substratverankerungspunkt 80 an und werden über die Verbindungsbalken 65, 65' miteinander verbunden. Ferner weist die seismische Masse 10 zwei Bereiche 10''' mit zusätzlicher Masse auf, um die Gesamtmasse der seismischen Masse 10 gegenüber der Gesamtmasse der Detektionseinheiten 20 weiter zu erhöhen.
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In 11 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer beispielhaften elften Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die elfte Ausführungsform im Wesentlichen der in 10 illustrierten zehnten Ausführungsform gleicht. Im Unterschied zur zehnten Ausführungsform greifen an den Federübersetzungsmitteln 60, 60' keine Verbindungsbalken 65, 65' an, sondern Rahmen 110, 110' der Detektionseinheiten 20, 20' fungieren als Verbindungsbalken 65, 65'. Die Rahmen 110, 110' sind über erste Teilelemente der Federübersetzungsmittel 60, 60' mit dem zentralen Substratverankerungspunkt 80 verbunden, wobei die seismische Masse 10 mittels zweiter Teilelemente der Federübersetzungsmitteln 60, 60' mit den Rahmen 110, 110' verbunden ist. Die Detektionselektrodenstruktur der Detektionseinheit 20 ist entlang der Auslenkungs- und Detektionsrichtung 101, 102 jeweils zwischen den ersten und zweiten Teilelementen angeordnet. Ferner sind bei der elften Ausführungsform jeweils die zweiten Dämpfungselektroden 92 zweier Dämpfungsstrukturen 90, 90' über ein im Zentralbareich des Beschleunigungssensors 1 angeordnetes weitere Substratverankerung 5' am Substrat 2 befestigt. Die beiden weiteren Substratverankerungen 5' sind daher beide benachbart zur zentralen Substratverankerung 80 angeordnet, so dass dieser Beschleunigungssensor 1 besonders unempfindlich gegenüber Substratverbiegungen ist.
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In 12 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer beispielhaften zwölften Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die zwölfte Ausführungsform im Wesentlichen der in 9 illustrierten neunten Ausführungsform gleicht. Im Unterschied zur neunten Ausführungsform weist die zwölfte Ausführungsform zwei zentrale Substratverankerungen 80 und entsprechend zwei separate Befestigungsbalken 81 auf. Die seismische Masse 10 ist ferner nicht als umlaufender Rahmen ausgebildet, sondern umfasst eine erste Teilmasse 10' und eine von der ersten Teilmasse 10' elektrisch isolierte zweite Teilmasse 10". Die erste Teildetektionseinheit 20' ist dabei mit der ersten Teilmasse 10' und die zweite Teildetektionseinheit 20" mit der zweiten Teilmasse 10" jeweils über die Federübersetzungsmittel 60, 60' gekoppelt.
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In 13 ist eine schematische Ansicht eines Beschleunigungssensors 1 gemäß einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die seismische Masse 10 ist in diesem Beispiel als Wippenstruktur ausgebildet, welche um eine zur Haupterstreckungsebene 100 parallele Drehachse 200 verschwenkbar ist. Die seismische Masse 10 weist Zusatzmassen 204 auf (diese können als Verlängerung parallel zur Torsionsachse, senkrecht zur Torsionsachse und/oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene in die dritte Dimension ausgeführt sein), welche eine gegenüber der Drehachse 200 asymmetrische Massenverteilung der seismischen Masse 10 erzeugen, so dass eine zur Haupterstreckungsebene 100 senkrecht ausgerichtete Beschleunigung des Beschleunigungssensors 1 eine Auslenkungsbewegung 11 der seismischen Masse 10 in Form einer Schwenkbewegung um die Drehachse 200 erzeugt. Die seismische Masse 10 ist über zwei Übersetzungsmittel 30 mit einer ebenfalls als Wippenstruktur ausgebildeten Detektionseinheit 20 gekoppelt. Das Übersetzungsmittel 30 umfasst in diesem Beispiel ein Federübersetzungsmittel 60 in Form einer ersten Torsionsfeder 201. Die Detektionseinheit 20 ist mittels zweiter Torsionsfedern 202 an einer Substratverankerung 5 befestigt und somit zu einer Detektionsbewegung 21 in Form einer Schwenkbewegung ebenfalls um die Drehachse 200 auslenkbar. Jeweils eine erste und eine zweite Torsionsfeder 201, 202 bilden zusammen ein Übersetzungsmittel 30, welches im ersten Bereich 33 an der seismischen Masse 10, im zweiten Bereich 34 an der Detektionseinheit 20 und im dritten Bereich 35 am Substrat 2 befestigt ist. Die Detektionseinheit 20 weist eine gegenüber der Drehachse 200 im Wesentlichen symmetrische Massenverteilung auf. Zur Detektion der Detektionsbewegung 21 sind beispielsweise zwei substratfeste Flächenelektroden 203 zwischen dem Substrat 2 und der Detektionseinheit 20 angeordnet, welche mit der Detektionseinheit 20 einen Plattenkondensator bilden und über eine Auswertung der elektrischen Kapazität eine Abstandsbestimmung zur Detektionseinheit 20 erlauben (die Flächenelektroden 203 könnten natürlich ebenso auf einer Schicht angeordnet sein, die auf einer dem Substrat 2 gegenüberliegenden Seite der Detektionseinheit 20 angeordnet ist). Die Detektionseinheit 20 ist aufgrund der an der Substratverankerung 5 befestigten zweiten Torsionsfedern 202 stärker in ihrer Bewegungsfreiheit um die Drehachse 200 eingeschränkt als die seismische Masse 10. Eine Auslenkung der seismischen Masse 10 zur Auslenkungsbewegung 11 um die Drehachse 20 infolge einer auf den Beschleunigungssensor 1 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 wirkenden Beschleunigung führt aufgrund der Kopplung über die Übersetzungsmittel 30 zu einer Detektionsbewegung 21 der Detektionseinheit 20 in Form einer Schwenkbewegung um die Drehachse 200, wobei die Amplitude der Detektionsbewegung 21 geringer als die Amplitude der Auslenkungsbewegung 11 ist. Die Auswahl der Zusatzmassen 204 dient zur Einstellung der Empfindlichkeit, während die Wahl der Masse der seismischen Masse 10 zur Einstellung der Bandbreite dient.
