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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Mikromechanische
Beschleunigungssensoren werden beispielsweise in einem Fahrzeug
zur Fahrwerksregelung oder als Aufprallsensor zur Auslösung von
Schutzeinrichtungen wie Airbags eingesetzt. Weiterhin werden mikromechanische
Beschleunigungssensoren als Hilfsmittel zur Navigation und zur Lagebestimmung
in Fahrzeugen und Flugzeugen verwendet.
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In
der
DE 44 39 238 A1 ist
ein Beschleunigungssensor beschrieben, der eine kapazitive Auslesung
aufweist. Der Beschleunigungssensor hat einen planaren Aufbau aus
Halbleiterkörpern,
wobei mindestens einer der beiden Halbleiterkörper eine Grube aufweist, in
der eine freitragende Struktur angeordnet ist. Die freitragende
Struktur ist an einer Seite mit dem Halbleiterkörper verbunden und senkrecht
zur Fläche
der beiden Halbleiterkörper
frei beweglich, so dass sie bei einer Beschleunigung in dieser Richtung aufgrund
ihrer trägen
Masse ausgelenkt wird. Die freitragende Struktur und der Halbleiterkörper bilden einen
Plattenkondensator, dessen Kapazität durch die freitragende Struktur
bei einer auftretenden Beschleunigung verändert wird.
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DE 35 09 948 A1 zeigt
einen planaren Trägheitssensor
zur Messung von Beschleunigungen mit einem schwenkbar gelagerten
Trägheitselement,
auf dem eine Masse befestigt ist. Der Trägheitssensor weist ein Massenungleichgewicht
auf.
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Das
Gebrauchsmuster
DE
89 13 756 U1 beschreibt einen kapazitiven Beschleunigungswandler mit
einem biegsamen Metallblatt, das an einer Stützstruktur einseitig befestigt
ist. An einem Ende des Metallblattes ist ein Massestück befestigt,
um bei einer Beschleunigung eine Auslenkung zu bewirken.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
195 41 388 A1 zeigt einen mikromechanischen Beschleunigungssensor
mit einem mikromechanischen Masseteil in Form einer Wippe, die derart
gelagert ist, dass sich eine asymmetrisch und außerhalb des Schwerpunkts der
Wippe verlaufende Drehachse ergibt.
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Schließlich offenbart
DE 198 22 171 A1 einen
kapazitiven Beschleunigungssensor mit einem um eine Torsionsachse
drehbaren Sensorelement.
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Weiterhin
sind Beschleunigungssensoren bekannt, die nach dem piezoelektrischem
Prinzip arbeiten, wobei bei einer auftretenden Beschleunigung ein
piezoelektrisches Element verformt wird und ein Signal abgibt, das
ein Maß für die auftretende
Beschleunigung ist.
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Die
bekannten Beschleunigungssensoren haben jedoch den Nachteil einer
unzureichenden Genauigkeit. Dies wird zumeist durch Offset-Werte verursacht,
welche die Messergebnisse verfälschen. Weiterhin
wird die Genauigkeit durch eine Off-Set-Drift eingeschränkt, die
beispielsweise durch Schwankungen in der Versorgungsspannung oder auch
durch Temperaturschwankungen entsteht. Weiterhin ergeben sich oftmals
große
Schwierigkeiten bei der genauen Reproduktion der Sensorstruktur. Hinzu
kommen hohe Herstellungskosten, die durch ein komplexes Herstellungsverfahren
verursacht werden, so wie eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mikromechanischen
Beschleunigungssensor zu schaffen, der eine verbesserte Sensorgenauigkeit,
insbesondere im Hinblick auf Off-Set und Off-Set-Drift aufweist,
und der darüber
hinaus kostengünstig
herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst,
durch den mikromechanischen Beschleunigungssensor gemäß Patentanspruch
1. Weitere vorteilhafte Aspekte, Merkmale und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Der
erfindungsgemäße mikromechanische Beschleunigungssensor
umfasst eine Platte, die schwenkbar um eine Drehachse befestigt
ist, so dass die Platte bei einer senkrecht zur Drehachse wirkenden
Beschleunigung aufgrund einer Trägheitskraft eine
Auslenkung erfährt,
und weiterhin eine Einrichtung zur Messung der Auslenkung, wobei
in der Platte mindestens eine Vertiefung ausgestaltet ist, in der eine
zusätzliche
Inertialmasse befestigt ist.
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Aufgrund
der zusätzlichen,
bevorzugt separat gefertigten Inertialmasse können starke Rückstellkräfte im Sensor
verwirklicht sein, was die Off-Set Fehler und Off-Set-Drifteffekte
herabsetzt und die Sensorgenauigkeit erhöht. Hinzu kommt, dass auf die
Platte wirkende Kräfte,
wie beispielsweise elektrostatische Kräfte bei einer kapazitiven Auslesung,
kleiner im Verhältnis
zur Rückstellkraft
sind, weshalb Schwankungen in der Versorgungsspannung weniger Einfluss
auf die Sensorempfindlichkeit haben. Ebenso werden Ungenauigkeiten
aufgrund von Temperaturschwankungen bzw. Temperatur-Drifteffekte
reduziert. Hinzu kommt, dass der Sensor kostengünstig herstellbar und sehr
robust ist. Dennoch hat er kleine Abmessungen und eine hohe Genauigkeit.
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Das
Befestigen der Masse in der Vertiefung garantiert eine genaue und
reproduzierbare Positionierung. Dies ist vorteilhaft für eine hohe
Reproduzierbarkeit der Sensoreigenschaften bei einer Massenfertigung.
Das Befestigen der Masse in der Vertiefung erhöht außerdem die Auflagefläche der
Masse und führt
zu einer besseren Festigkeit. Eine kugelförmige Masse bzw. Inertialmasse
ist besonders leicht herzustellen und sie hat darüber hinaus
sehr enge Toleranzgrenzen.
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Das
Anbringen der Zusatzmasse ist insbesondere auch ein sehr kostengünstiges
Verfahren zur Erzeugung hoher Inertialmassen. Die Inertial- bzw.
Zusatzmasse erzeugt hohe mechanische Kräfte bzw. Drehmomente beim Einwirken
einer Beschleunigung. Dadurch kann die gesamte Sensorstruktur entsprechend
robust ausgelegt werden, wobei dennoch eine hohe Empfindlichkeit
auf die Messgröße gegeben
ist.
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Bevorzugt
ist der Sensor aus mindestens drei Ebenen bzw. Wafern aufgebaut,
wobei die Platte zwischen einem Bodenteil und einem Deckelteil befestigt
ist. Dadurch wird die Herstellung vereinfacht und es werden Kosten
reduziert. Der Aufbau in drei oder mehr Ebenen trägt darüber hinaus
auf Grund der Symmetrie zu einer höheren Genauigkeit bei.
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Vorzugsweise
ist die Platte an mindestens zwei Aufhängungen befestigt, die sich
z.B. an gegenüberliegenden
Kanten der Platte befinden und die Drehachse definieren, wobei sich
die Drehachse durch die Platte erstreckt. Dadurch bildet die Platte eine
Art Wippe, die um die Drehachse verkippt wird, sobald eine Beschleunigung
auftritt. Dadurch wird eine differenzielle Auslesung möglich, die
zur Erhöhung
der Genauigkeit zusätzlich
beiträgt.
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Bevorzugt
ist zur Messung der Auslenkung auf beiden Seiten der Drehachse jeweils
eine Kapazität
ausgebildet, wobei sich bei einem Verkippen der Platte um die Drehachse
die eine Kapazität
erhöht, während sich
die andere Kapazität
verringert. Durch diese Maßnahme
kann auf besonders einfache Weise eine differenzielle Auslesung
bzw. eine Auslesung von einem Differenzsignal erfolgen, so dass
Drifteffekte und Sensorungenauigkeiten weitgehend eliminiert werden.
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Vorteilhafterweise
sind eines oder mehrere der Elemente Bodenteil, Platte und Deckelteil
aus jeweils einem Wafer gebildet. Dadurch ergibt sich eine besonders
einfache und kostengünstige
Herstellung, die mit großer
Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfolgen kann.
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Die
Platte kann z.B. asymmetrisch aufgehängt sein, so dass bei einer
senkrecht zur Plattenebene auftretenden Beschleunigung ein Verkippen
der Platte um die Drehachse erfolgt. Dabei ist z.B. der Schwerpunkt
von Inertialmasse und Platte lateral bzw. in Plattenebene gegenüber der
Drehachse versetzt.
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Vorteilhafterweise
ist auf der Oberseite der Platte und auf der Unterseite der Platte
jeweils eine Inertialmasse angeordnet, wobei die beiden Inertialmassen
z.B. symmetrisch zur Plattenebene angeordnet sind. Das Befestigen
von zwei Massen führt
zu einer zusätzlichen
Erhöhung
der mechanischen Kräfte. Durch
die Symmetrie des Sensoraufbaus in Bezug auf die Platten- bzw. Mittelteilebene
ergibt sich eine sehr exakte Empfindlichkeit in z-Richtung, d.h.
in die senkrecht zur Plattenebene gerichtete Richtung.
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Die
Inertialmasse kann aber auch senkrecht zur Plattenebene versetzt
angeordnet sein, so dass bei einer in Richtung der Plattenebene
auftretenden Beschleunigung ein Verkippen der Platte um die Drehachse
erfolgt. D.h., die Inertialmasse bzw. Masse ist in Bezug auf die
Plattenebene einseitig ausgelagert, so dass durch diese Maßnahme der
Beschleunigungssensor auf Beschleunigungen in Richtung der Plattenebene
empfindlich ist. Dabei ist die Inertialmasse z.B. genau oberhalb
der Drehachse auf der Oberseite der Platte angebracht, oder sie
ist z. B. unterhalb der Drehachse an der Unterseite der Platte befestigt.
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Vorteilhafterweise
ist die Platte in einem Mittelteil ausgestaltet, das ein Feder-Masse-System mit einer
auf die Platte in ausgelenktem Zustand wirkenden Rückstellkraft
bildet. Das Mittelteil kann beispielsweise ein Wafer sein, der einen
Rahmen mit einer innerhalb des Rahmens gelegenen Plattenstruktur
bildet, wobei gegenüberliegende
Verbindungsstege zwischen Rahmen und Platte ausgestaltet sind.
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Bevorzugt
ist das Bodenteil und/oder das Deckelteil aus einem isolierenden
Material, insbesondere aus Glas gebildet und trägt beispielsweise eine elektrisch
leitende Schicht, die eine Elektrodenfläche bildet. Durch die Verwendung
von isolierendem Material, auf dem die Elektroden aufgebracht werden,
reduzieren sich die Streukapazitäten
und die Drift der Kapazitätswerte
wird noch weiter herabgesetzt. Die elektrisch leitende Schicht kann
z.B. eine Metallschicht sein. Es sind aber auch andere Materialien
verwendbar, wie z.B. Polysilizium oder Silizide, die für bestimmte
Anforderungen unter Umständen besser
geeignet sind.
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Vorteilhafterweise
ist die Inertialmasse kugelförmig
ausgebildet und sie kann insbesondere aus einem Material gefertigt
sein, dessen Dichte frei wählbar
ist. Insbesondere kann das Material der Inertialmasse eine höhere Dichte
aufweisen als das Material der Platte. Es ist aber auch möglich, die
gleiche Dichte oder eine geringere Dichte zu wählen.
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Durch
kugelförmige
Massen kann ein sehr hoher Genauigkeitsgrad mit einer besonders
guten Reproduzierbarkeit erreicht werden. Die Positionierung der
Masse in einer radialen Vertiefung ist darüber hinaus selbstjustierend.
Die Selbstjustage kann z.B. durch Verwendung von magnetischen Inertialmassen
noch weiter verbessert werden. Durch Verwendung eines Materials
mit relativ hoher Dichte können
besonders große
Inertialmassen auf kleinem Raum geschaffen werden. Beispielsweise
sind Stahlkugeln eine sehr kostengünstige Möglichkeit, Inertialmassen sehr
präzise
anzuordnen.
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Vorteilhafterweise
ist auf der Oberseite des Bodenteils mindestens eine freiliegende
Anschlussfläche
zur Kontaktierung von Elektroden in einem Innenraum des Beschleunigungssensors
angeordnet. Die Anordnung aller Anschlußpads auf dem Bodenwafer ermöglicht ein
einfaches Drahtbonden der Sensoren mit der entsprechenden Auswerteelektronik.
Teure und aufwendige Drahtbondverfahren sind nicht notwendig.
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Bevorzugt
sind die Elektroden zur kapazitiven Auslesung von geschlossenen
Ringleiterbahnen umgeben. Dadurch werden elektrische Streusignale wirksam
abgeschirmt, was ebenfalls zur Erhöhung der Genauigkeit der Messergebnisse
des Beschleunigungssensors beiträgt.
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Beispielsweise
kann im Bodenteil und/oder im Mittelteil eine Vertiefung vorgesehen
sein, die einen Spalt zwischen der Platte und dem Bodenteil bildet.
Dadurch kann auf einfache Weise ein Abstand zwischen Bodenteil und
Platte erzeugt werden, der das Verkippen der Platte bzw. die Auslenkung
um die Drehachse bei einer auftretenden Beschleunigung ermöglicht.
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Vorteilhafterweise
ist zwischen dem Bodenteil und dem Deckelteil ein hermetisch abgeschlossener
Innenraum ausgebildet, indem sich die Platte befindet, wobei insbesondere
Leiterbahnen, die z.B. auf dem Bodenteil angeordnet sind, nach außen führen. Durch
einen abgeschlossenen Innenraum wird der Einfluss von störenden Umgebungsbedingungen weitgehend
ausgeschaltet und der Sensor ist vor Alterung und Verschmutzung
geschützt.
Vorzugsweise sind alle elektrischen Kontaktstellen planar und liegen
parallel zur Ebene des Bodenteils bzw. der Bodenteiloberfläche.
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Vorteilhafterweise
sind die Platte und/oder die Aufhängungen aus Silizium gefertigt,
insbesondere aus einkristallinem Silizium. Die Verwendung von Silizium
und insbesondere einkristallinem Silizium als Material für die Platte
und/oder für
die Aufhängungen
bzw. Federn und zur Befestigung der Masse garantiert ein hohe mechanische
Belastbarkeit. Darüber
hinaus treten keine Ermüdungs-
und Alterungserscheinungen auf.
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Der
mikromechanische Beschleunigungssensor kann beispielsweise eine
erste und eine zweite Platte mit zusätzlichen Inertialmassen und
jeweils einer zugehörigen
Drehachse umfassen, wobei bei der ersten Platte der Massenschwerpunkt
gegenüber der
zugehörigen
Drehachse in Richtung der Plattenebene versetzt ist, während bei
der zweiten Platte der Massenschwerpunkt gegenüber der zugehörigen Drehachse
senkrecht zur Plattenebene versetzt ist. Dadurch kann in einem Herstellungsverfahren
ein Beschleunigungssensor geschaffen werden, der auf Beschleunigungen
in zwei oder mehr senkrecht zueinander gerichteten Richtungen reagiert
bzw. empfindlich ist. D.h., mit dem Sensor ist es zum Einen möglich, Beschleunigungen
senkrecht zur Sensor- bzw. Plattenebene aufzunehmen, und gleichzeitig
ist es zum Anderen möglich,
Beschleunigungen in einer Richtung parallel zur Platten- bzw. Sensor-
oder Waferebene zu erfassen.
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Die
Wafer bzw. Bodenteil, Mittelteil und Deckelteil werden vorteilhafterweise
durch anodische Bondverfahren verbunden. Dies garantiert sehr gute Festigkeitswerte
und einen definierten Abstand zwischen den Vertiefungen, die zuvor
in die beiden Substrate eingebracht wurden. Damit ist die Herstellung von
präzisen
Kondensatoren mit einem vorherdefinierten Spalt oder Luftspalt möglich.
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Die
mechanische Struktur wird vorteilhafterweise in einem Prozessschritt
hergestellt. Daraus ergibt sich eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
der Struktur.
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Im
Bodenteil und/oder im Mittelteil befinden sich bevorzugt Strukturen,
die geeignet sind, das Dämpfungsverhalten
der mechanischen Auslenkung der Platte zu beeinflussen. Die Strukturen
bestehen beispielsweise aus Vertiefungen, Löchern oder Schlitzen, die beispielsweise
im Mittelteil angeordnet sind und das gesamte Mittelteil durchdringen
können.
Damit ist es möglich,
das Resonanzverhalten der Plattenauslenkung überkritisch zu dämpfen und gleichzeitig
eine ausreichende Bandbreite für
die Beschleunigungsmessung zu erhalten. Zusätzlich kann über die
Wahl des eingeschlossenen Druckes im Sensorinneren das Dämpfungsverhalten
beeinflusst werden.
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Durch
die Wahl der Dämpfungsstrukturen kann
die mechanische Grenzfrequenz beeinflusst werden, insbesondere bei
konstantem Druck im Sensorinneren, der z.B. 1 bar beträgt.
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Vorteilhafterweise
ist die Platte durch Verbindungsstege bzw. durch die Aufhängungen
in einem Rahmen befestigt, der wiederum durch weitere Verbindungsstege
bzw. Aufhängungen
schwenkbar gehalten wird. Dabei definieren die ersten Verbindungsstege
eine erste Drahachse und die zweiten Verbindungsstege eine zweite
Drehachse. Mit einem Beschleunigungsmesser dieser Art ist es möglich, die Beschleunigung
in zwei orthogonalen Raumrichtungen parallel zur Plattenebene zu
messen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht
eines Beschleunigungssensors gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, der zur Messung der Beschleunigung senkrecht zur
Sensorebene dient;
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2 eine schematische Draufsicht
von oben auf das Mittelteil des in 1 gezeigten
Beschleungiungssensors, wobei die Barunterliegenden Kondensatorflächen ebenfalls
dargestellt sind;
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3 eine Schnittansicht durch
einen Beschleunigungssensor gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, der zur Messung von Beschleunigungen in Richtung
der Sensorebene dient;
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4 eine schematische Draufsicht
auf ein Mittelteil des in 3 gezeigten
Beschleunigungssensors, wobei die Barunterliegenden Kondensatorflächen ebenfalls
dargestellt sind;
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5a und 5b schematische Schnittansichten eines
Beschleunigungssensors gemäß 1, jedoch mit Strukturen
zur Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens
der Plattenauslenkung;
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6 eine schematische Schnittansicht durch
einen Beschleunigungssensor gemäß einer dritten
bevorzugten Ausführungsform,
der zur Messung der Beschleunigung in zwei orthogonalen Richtungen
in Plattenebene geeignet ist.
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In 1 ist ein Längsschnitt
durch einen Beschleunigungssensor 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Der Beschleunigungssensor 10 ist
in drei Ebenen aufgebaut und umfasst ein Bodenteil 11,
ein Mittelteil 12 und ein Deckelteil 13. Bodenteil 11,
Mittelteil 12 und Deckelteil 13 sind Wafer, die
einzeln strukturiert sind und anschließend zusammengefügt sind.
Das Mittelteil 12 bildet einen Rahmen 14 und eine
Platte 15, die innerhalb des Rahmens 14 schwenkbar
aufgehängt
ist.
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Das
Mittelteil 12 ist aus einkristallinem Silizium gefertigt,
wobei der Rahmen 14, die Platte 15 und Aufhängungen 9,
die die Platte 15 im Rahmen 14 halten, aus einem
Stück heraus
strukturiert sind. An jeder der beiden Längsseiten bzw. Kanten der Platte 15 befindet
sich jeweils eine Aufhängung 9,
so dass die beiden Aufhängungen 9 eine
Drehachse A bilden, die sich durch die Platte 15 in Richtung
der Plattenebene erstreckt. Auf der Oberseite 15a der Platte 15 ist
ein zusätzliches
Masseelement 16a befestigt. An der Unterseite 15b der
Platte 15 ist ebenfalls ein zusätzliches Masseelement 16b befestigt.
Die zusätzlichen Masseelemente 16a, 16b liegen
in Form von Kugeln bzw. Stahlkugeln vor, die in zugehörigen radialen Vertiefungen
in der Platte 15 positioniert sind. Die Masseelemente 16a, 16b sind
Inertialmassen, die aufgrund ihrer Trägheit ein vertikales Kippen
der Platte 15 um die Drehachse A bewirken, wenn der Beschleunigungssensor 10 in
z-Richtung, also senkrecht zur Plattenebene, beschleunigt wird.
Dazu ist die Platte 15 asymmetrisch aufgehängt, d.h.,
der Schwerpunkt der Platte 15 und der Masseelemente 16a, 16b ist
lateral bzw. seitlich in Bezug auf die Drehachse A versetzt.
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Die
Aufhängungen 9der
Platte 15 im Mittelteil 12 haben die gleiche Dicke
bzw. annähernd
die gleiche Dicke wie die Platte 15 selbst. Sie sind verdrehbar
bzw. tordierbar, so dass die Kippbewegung der Platte 15 bei
einer auftretenden Beschleunigung in z-Richtung ermöglicht wird.
Zusätzlich
sind im Sensorinneren Strukturen angebracht, die gezielt das Dämpfungsverhalten
der Drehauslenkung beeinflussen. Diese gezielte Beeinflussung des
Dämpfungsverhaltens
kann z.B. über
die Dimensionierung der Aufhängungen 9 erfolgen.
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Die
Mittelpunkte der Inertialmassen 16a, 16b sind
in einem lateralen Abstand d zur Drehachse A angeordnet. Durch ihre
Anordnung symmetrisch zur Mittelteilebene wird erreicht, dass der
Beschleunigungssensor exakt empfindlich in z-Richtung ist. Die Inertialmassen
bzw. Masseelemente 16a, 16b sind z.B. magnetisch
ausgestaltet, so dass eine Selbstjustage und ein selbständiges Halten
an der Platte 15 erfolgt.
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Das
Bodenteil 11 und das Deckelteil 13 sind in der
vorliegenden Ausführungsform
aus Glas gefertigt. Auf dem Glas des Bodenteils 11 befindet
sich eine strukturierte Metallschicht bzw. elektrisch leitende Schicht
oder Schichtkombination aus mehreren Schichten. Diese Schicht bildet
Elektroden 17 bzw. Elektrodenflächen zur Bereitstellung von
Kapazitäten bzw.
Kondensatoren zur Auslesung der Verkippung der Platte 15.
Dazu sind die flächig
ausgestalteten Elektroden 17 gegenüber der Unterseite 15b der Platte 15 angeordnet.
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Zusätzlich zu
den Elektroden 17 erstrecken sich auf der Oberseite 11a des
Bodenteils 11 Leiterbahnen bzw. weitere Metallisierungen,
die aus dem Sensorinnenraum nach außen führen und auf einem außenliegenden
Bereich der Oberseite 11a des Bodenteils 11 Anschlussflächen 18 zur
Kontaktierung der Elektroden 17 von außen bilden. D.h., alle elektrischen
Kontaktstellen sind planar und liegen parallel zur Bodenteilebene
bzw. auf der Oberseite des Bodenteils 11.
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Auf
der Oberseite 11a des Bodenteils 11 ist eine erste
Vertiefung 11c ausgebildet, d.h., im Randbereich des Bodenteils 11 besteht
eine Stufe. Das Mittelteil 12 hat im Bereich der Platte 15 an
deren Unterseite 15b ebenfalls eine Vertiefung, so dass
der Rahmen 14 eine größere Dicke
aufweist, als die Platte 15. Dadurch entsteht zwischen
der Platte 15 und dem Bodenteil 11 ein Abstand
e, durch den die Auslenkung bzw. Verkippung der Platte 15 um
die Drehachse A ermöglicht
wird.
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Eine
zweite Vertiefung bzw. Ausnehmung 11d im Bodenteil 11 dient
zur Aufnahme des Masseelements 16b, das an der Unterseite 15b der
Platte 15 befestigt ist. Das Deckelteil 13 hat
in seinem zentralen Bereich ebenfalls eine Ausnehmung bzw. Vertiefung,
so dass zwischen dem Bodenteil 11 und dem Deckelteil 13 ein
abgeschlossener Innenraum 19 ausgebildet ist, in dem die
Platte 15 mit den Masseelementen 16a, 16b schwenkbar
gelagert ist. Der Innenraum 19 ist druckdicht bzw. hermetisch
abgeschlossen. Je nach den Einsatzbedingungen des Beschleunigungssensors
kann im Innenraum 19 ein bestimmter Druck oder auch Vakuum
vorgesehen sein. Bodenteil 11, Mittelteil 12 und
Deckelteil 13 sind also derart geformt, dass das Innere
des Sensors 10 einen abgeschlossenen Raum bildet. Dabei
sind das Bodenteil 11 und das Mittelteil 12 bzw.
das Deckelteil 13 und das Mittelteil 12 durch
anodisches Bonden miteinander verbunden.
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In 2 ist eine Draufsicht von
oben auf das Mittelteil 12 schematisch dargestellt. Um
die Lage und Ausgestaltung der Elektroden 17 zu verdeutlichen,
sind diese in der 2 ebenfalls
gezeigt, obwohl sie sich auf dem Bodenteil 11, d.h. unterhalb des
Mittelteils 12 befinden. Die Elektroden 17 sind zwei
getrennt voneinander verlaufende Metallisierungsbereiche, die sich
jeweils auf einer Seite der Drehachse A gegenüber der Platte 15 befinden.
Zusammen mit der Platte 15, die im Betrieb ein elektrisches
Potential hat, wird somit ein Paar von Kondensatoren gebildet, durch
die die Auslenkung bzw. das Verkippen der Platte 15 gemessen
wird. Durch die Ausgestaltung eines Elektrodenpaars auf beiden Seiten
der Drehachse A ist eine Differenzmessung möglich, d.h., bei einer Auslenkung
bzw. Verkippung der Platte 15 vergrößert sich die Kapazität auf einer
Seite der Drehachse während
sich auf der anderen Seite der Drehachse A die Kapazität verringert.
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Die
Elektroden 17 auf dem Bodenteil 11 sind über Leiterbahnen 17a mit
den außenliegenden
Anschlussflächen 18 bzw.
Anschlußpads
verbunden. Zur Abschirmung gegen elektrische Streusignale sind um
jede Elektrodenfläche
einschließlich
Leiterbahn und Anschlußpad
geschlossene Ringleiterbahnen vorgesehen.
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In
der 2 wird weiterhin
die Ausgestaltung des Mittelteils 11 mit dem Rahmen 14,
den Aufhängungen 9 und
der Platte 15 verdeutlicht. Dabei hat die Platte 15 gegenüberliegende
Kanten 15f, an denen jeweils eine der Aufhängungen 9 als
Verbindung zum Rahmen 14 ausgestaltet ist.
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Der
Rahmen 14 ist zwischen dem Bodenteil 11 und dem
Deckelteil 13 eingespannt, so dass die Platte 15 frei
beweglich im Innenraum 19 des Beschleunigungssensors 10,
d.h. in z-Richtung verschwenkbar, gelagert ist (siehe 1).
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Die
zusätzlichen
Masseelemente 16a, 16b bzw. Inertialmassen ragen
in z-Richtung aus der Plattenebene heraus bzw. erstrecken sich symmetrisch zur
Mittelteilebene nach oben und unten. Es ist aber auch möglich, nur
eine Inertialmasse vorzusehen.
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In 3 ist eine weitere bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Der hier dargestellte Beschleunigungssensor 100 ist
jedoch empfindlich für
laterale Beschleunigungen, d.h., für Beschleunigungen in x-Richtung
bzw. in Richtung der Plattenebene. Dazu ist die Platte 150 symmetrisch
aufgehängt.
Die Drehachse A befindet sich im Zentrum der Platte 150 und
erstreckt sich in Richtung der Plattenebene bzw. in y-Richtung. Oberhalb
der Drehachse A ist ein zusätzliches
Masseelement 160 angeordnet, wobei sich der Schwerpunkt
des Masseelements 160 bzw. der Inertialmasse genau über der
Drehachse A befindet. Durch den vertikalen Versatz der Inertialmasse
bzw. des Masseelements 160 in Bezug auf die Drehachse A
befindet sich der Schwerpunkt des Systems aus Platte 150 und
Masseelement 160 ebenfalls oberhalb der Drehachse A. Bei
einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors 100 in
x-Richtung wird deshalb die Platte 150 um die Drehachse
A aufgrund der Massenträgheit
verkippt bzw. ausgelenkt. Bei einer Beschleunigung in z-Richtung,
d.h. senkrecht zur Wafer- bzw. Plattenebene ergibt sich hingegen
keine Auslenkung.
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Zur
Messung der Auslenkung sind auf dem Bodenteil 110 aus Glas
Elektroden 170 in Form von elektrisch leitenden Bereichen
bzw. Metallisierungen aufgebracht, die zusammen mit der gegenüberliegenden
Platte 150 ein Kondensatorpaar bzw. ein Paar von Kapazitäten bilden.
Auch in der hier gezeigten Ausführungsform
erfolgt eine Messung von Differenzwerten bei der Auslesung, da sich
bei einer Auslenkung der Platte 150 die Kapazität des Kondensators
auf der einen Seite der Drehachse A verringert, während sich
die Kapazität
des Kondensators auf der anderen Seite der Drehachse A vergrößert.
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Bodenteil 110,
Mittelteil 120 und Deckelteil 130 sind im übrigen ähnlich wie
beim Beschleunigungssensor 10 gemäß den 1 und 2 aufgebaut, ebenso
wie weitere Funktionselemente.
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4 zeigt zur Verdeutlichung
das Mittelteil 120 des in 3 gezeigten
Sensors, sowie die Lage der Kondensatoren zur Auslesung in Bezug
auf das Mittelteil 120. Daher ist in 4, genauso wie in 2, nicht nur eine Draufsicht auf das
Mittelteil gezeigt, sondern ebenfalls die Struktur der Barunterliegenden
elektrisch leitenden Bereiche bzw. Metallinierungen zur Bildung
der Elektroden und Anschlussflächen.
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Das
Mittelteil 120 umfasst einen rechteckigen Rahmen 140 und
die innerhalb des Rahmens 140 schwenkbar gelagerte Platte 150,
auf der das zusätzliche
Massenelement 160 angeordnet ist. Aufhängungen 90 bilden
eine verdrehbare bzw. tordierbare Verbindung zwischen der Platte 150 und
dem Rahmen 140. Die Aufhängungen 90 sind jeweils
an einer Kante 150f an gegenüberliegenden Seiten der Platte 150 angeordnet
und definieren so die Drehachse A, die sich in der Plattenebene
durch die Platte 150 hindurch erstreckt. Dabei deckt sich
die Drehachse A in der Projektion von oben mit dem Mittelpunkt des
Masseelements 160, das ebenfalls in Form einer Stahlkugel
vorliegt.
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Auf
jeder Seite der Drehachse A befindet sich ein Kondensator zur kapazitiven
Auslesung der Verkippung der Platte 150. Das Kondensatorpaar bzw.
die Kondensatoren werden durch die Metallinierungen bzw. Elektroden 170 auf
der Oberseite des Bodenteils 110 und die gegenüberliegende
Platte 150 gebildet. Nach außen führende Metallisierungsbereiche
bilden außenliegende
Anschlussflächen 180 zur
Kontaktierung der Elektroden 170. Die Metallisierungen 170 liegen
auf einer Ebene und bilden eine druckdichte Verbindung zum abgeschlossenen Innenraum
des Beschleunigungssensors 100.
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Im
Hinblick auf die übrigen
Elemente, Funktionen, Merkmale und Aspekte des Sensors 100 wird auf
das oben in Bezug auf die erste Ausführungsform gesagte bezug genommen.
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Weiterhin
kann der Beschleunigungssensor 10 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform mit
dem Beschleunigungssensor 100 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform
kombiniert werden. In diesem Fall sind im Mittelteil zwei oder mehr
Platten 15, 150 mit zugehörigen Inertialmassen 16a, 16b, 160 vorgesehen.
Davon ist eine Platte mit zugehöriger
Inertialmasse, Aufhängung
und Kondensatorpaar gemäß 1 und 2 ausgestaltet, während mindestens eine weitere
Platte mit Inertialmasse, Aufhängung
und Kondensatorpaar gemäß den 3 und 4 ausgestaltet ist. Somit ergibt sich
auf einfache Weise ein Sensor, der aus drei Ebenen bzw. drei übereinanderliegenden
Wafern aufgebaut ist und Beschleunigungen sowohl in z-Richtung,
d.h. senkrecht zur Waferebene, als auch in x- bzw. y-Richtung, d.h. parallel
zur Wafer- bzw. Sensorebene erfasst.
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Die
Vorteile der Kombination aus zwei oder mehreren dieser Beschleunigunssensoren
liegen insbesondere darin, dass die Herstellungskosten reduziert
werden können,
dass die Anschlussstellen nebeneinander in einer Ebene liegen können, was den
Aufwand und die Kosten für
die Kontaktierung der Sensoren reduziert, dass aufgrund desselben Funktionsprinzips
dieselbe Auswerteelektronik verwendet werden kann, dass die lateralen
Ausdehnungen der Sensoren kleiner sind als bei der Kombination von
getrennt hergestellten Sensoren, was zur weiteren Miniaturisierung
und zur Kostenreduzierung beiträgt,
und dass eine Ausrichtung der Empfindlichkeitsachsen nicht mehr
notwendig ist, sondern automatisch mit extrem hoher Genauigkeit
erfolgt.
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Die
folgenden Figuren zeigen noch weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors,
wobei die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele selbstverständlich miteinander
kombiniert werden können.
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In
den 5a und 5b ist der Beschleunigungssensor ähnlich wie
in 1 dargestellt, wobei jedoch
im Mittelteil 12 Strukturen 80, 81 zur
Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens
der mechanischen Auslenkung der Platte vorgesehen sind. Die Strukturen 80, 81 bestehen
beispielsweise aus Vertiefungen im Mittelteil 12 oder aus
Löcher
oder Schlitzen, die das gesamte Mittelteil durchdringen (5b). Damit ist es möglich das
Resonanzverhalten der Plattenauslenkung überkritisch zu dämpfen und
gleichzeitig eine ausreichende Bandbreite für die Beschleunigungsmessung
zu erhalten. Zusätzlich kann über die
Wahl des eingeschlossenen Druckes im Sensorinneren das Dämpfungsverhalten
beeinflusst werden.
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Die 6 zeigt in ähnlicher
Ansicht wie die 3 und 4 und in Ergänzung dazu
einen Beschleunigungssensor 200 mit kardanischer Plattenstruktur als
weitere vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung.
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Wie
aus der Schnittansicht gemäß 6 entnehmbar ist, befindet
sich die Inertialmasse bzw. das Masseelement 260 auf einer
inneren Platte 250 und bewirkt bei Einwirken einer Beschleunigung
in x-Richtung, d.h. parallel zur Plattenebene, eine Auslenkung der
inneren Platte 250 um eine erste bzw. innere Drehachse
A, die sich in der Plattenebene in y-Richtung erstreckt.
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Die
innere Platte 250 ist durch ein erstes Paar von Verbindungsstegen
bzw. erste Aufhängungen
in einem Rahmen 251 bzw. einer äusseren Platte befestigt, die
wiederum bei Einwirken einer Beschleunigung in einer zweiten Richtung,
d.h. in y-Richtung, eine Auslenkung bzw. ein Verschwenken um eine
zweite bzw. äussere
Drehachse B erfährt, die
senkrecht zur ersten Drehachse A ausgerichtet ist.
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Die
zweite Drehachse B wird durch ein zweites Paar von Verbindungsstegen
bzw. zweite Aufhängungen
definiert, durch die die bewegliche, kardanische Plattenstruktur 250, 251 an
den unbeweglichen Teilen des Mittelteils 220 befestigt
ist. Paarweise angeordnete innere Elektroden 270 und äussere Elektroden 271,
die auf dem Unterteil 210 ausgebildet sind, bilden gemeinsam
mit der Plattenstruktur 250, 251 ein inneres und
ein äusseres
Kondensatorpaar und dienen zur Aufnahme der Auslenkungen der jeweiligen
Platte. Die Kontaktierung erfolgt über das Abschlußpad bzw.
die Anschlußfläche 280.
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Die
weiteren Elemente des Beschleunigungssensors 200 entsprechen
denjenigen des in den 3 und 4 gezeigten Beschleunigungssensors.
Mit einem auf diese Weise ausgestalteten, erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor
ist es möglich,
die Beschleunigung in zwei orthogonalen Raumrichtungen parallel
zur Plattenebene zu messen.