DE10111149B4

DE10111149B4 - Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE10111149B4
Application number: DE2001111149
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr. Kapser; Peter Knittl; Ulrich Prechtel; Helmut Dr.rer.nat. Seidel; Sebastian Dr. Tölg; Manfred Dipl.-Ing. Weinacht
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2001-03-08
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: DE10111149A1

Abstract

Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in mindestens einer Richtung (x, y, z), mit einer Rahmenanordnung (110; 210; 310), welche bezüglich dem Objekt ortsfest ist, mit einer trägen Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501), welche relativ zu der Rahmenanordnung (110; 210; 310) des Beschleunigungssensors (100; 200; 300) beweglich ist, mit einer Lagervorrichtung (105, 106, 107; 205; 305; 405; 505), durch welche die Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) bezüglich der Rahmenanordnung (110; 210; 310) um eine Ausgangslage elastisch gelagert ist, und mit einer kapazitiven Erfassungseinrichtung (120; 220; 320; 420; 520) zur Erzeugung mindestens eines die Lage der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) relativ zu der Rahmenanordnung (110; 210; 310) repräsentierenden kapazitiven Ausgangssignals, welche an der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) vorgesehene erste Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) und an der Rahmenanordnung (110; 210; 310) den...

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in einer oder mehreren Richtungen sind mikromechanische kapazitive Beschleunigungssensoren bekannt, mit einer Rahmenanordnung, welche bezüglich dem Objekt ortsfest ist, mit einer trägen Sensormasse, welche relativ zu der Rahmenanordnung des Beschleunigungssensors beweglich ist, mit einer Lagervorrichtung, durch welche die Sensormasse bezüglich der Rahmenanordnung um eine Ausgangslage elastisch gelagert ist, und mit einer kapazitiven Erfassungseinrichtung zur Erzeugung mindestens eines die Lage der Sensormasse relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierenden kapazitiven Ausgangssignals. Die kapazitive Erfassungseinrichtung umfaßt an der Sensormasse vorgesehene erste Kondensatorelektroden und an der Rahmenanordnung den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend vorgesehene zweite Kondensatorelektroden. Zur Kopplung der an der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden mit an der Rahmenanordnung vorgesehenen ersten Anschlußelementen ist eine Kopplungsanordnung vorgesehen, und die zweiten Kondensatorelektroden sind mit zweiten Anschlußelementen gekoppelt.
Mikromechanische kapazitive Beschleunigungssensoren dieser oder ähnlicher Art sind aus der DE 38 37 883 A1 , DE 196 37 265 A1 , DE 41 26 100 A1 , DE 197 09 520 A1 und DE 197 09 731 A1 bekannt.
Die DE 692 02 991 T2 beschreibt einen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensor zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts, mit einer Rahmenanordnung, welche bezüglich dem Objekt ortsfest ist, mit einer trägen Sensormasse, welche relativ zu der Rahmenanordnung des Beschleunigungssensors beweglich ist, mit einer Lagervorrichtung, durch welche die Sensormasse bezüglich der Rahmenanordnung um eine Ausgangslage elastisch gelagert ist, und mit einer kapazitiven Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines die Lage der Sensormasse relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierenden kapazitiven Ausgangssignals, welche an der Sensormasse vorgesehene erste Kondensatorelektroden und an der Rahmenanordnung den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend vorgesehene zweite Kondensatorelektroden umfaßt, und mit einer Kopplungsanordnung zur Kopplung der an der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden mit an der Rahmenanordnung vorgesehenen ersten Anschlußelementen, und mit zweiten Anschlußelementen, mit welchen die zweiten Kondensatorelektroden gekoppelt sind. Bei diesem bekannten kapazitiven Beschleunigungssensor sind die an der Rahmenanordnung den ersten Kondensatorelektroden an der Sensormasse gegenüberliegend vorgesehenen zweiten Kondensatorelektroden und mit den zweiten Kondensatorelektroden gekoppelte zweite Anschlußelemente auf verschiedenen Seiten eines den Beschleunigungssensor abschließenden Deckelements vorgesehen.
Weiter ist aus der DE 195 41 388 A1 ein mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor ähnlicher Art zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts bekannt, bei dem an der Rahmenanordnung den ersten Kondensatorelektroden an der Sensormasse gegenüberliegend vorgesehene zweiten Kondensatorelektroden mit einer zur Auswertung der von dem Beschleunigungssensor erzeugten Signale dienenden integrierten Schaltung in einer als bekannt bezeichneten, nicht näher beschriebenen Weise verbunden sein sollen.
Auch die EP 0 899 574 A1 beschreibt einen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensor mit an der Rahmenanordnung den ersten Kondensatorelektroden an der Sensormasse gegenüberliegend vorgesehenen zweiten Kondensatorelektroden und mit den zweiten Kondensatorelektroden gekoppelten Anschlußelementen in verschiedenen Ebenen, welche über eine diese Versetzung überbrückende Drahtverbindung miteinander gekoppelt sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es einen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensor zu schaffen, welcher möglichst einfach und damit kostengünstig herstellbar ist und der eine möglichst geringe Empfindlichkeit gegen Störeinflüsse aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 angegebenen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensor gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Durch die Erfindung wird ein mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in mindestens einer Richtung geschaffen, mit einer Rahmenanordnung, welche bezüglich dem Objekt ortsfest ist, mit einer trägen Sensormasse, welche relativ zu der Rahmenanordnung des Beschleunigungssensors beweglich ist, mit einer Lagervorrichtung, durch welche die Sensormasse bezüglich der Rahmenanordnung um eine Ausgangslage elastisch gelagert ist, und mit einer kapazitiven Erfassungseinrichtung zur Erzeugung mindestens eines die Lage der Sensormasse relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierenden kapazitiven Ausgangssignals, welche an der Sensormasse vorgesehene erste Kondensatorelektroden und an der Rahmenanordnung den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend vorgesehene zweite Kondensatorelektroden umfaßt, und mit einer Kopplungsanordnung zur Kopplung der an der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden mit an der Rahmenanordnung vorgesehenen ersten Anschlußelementen, und mit zweiten Anschlußelementen, mit welchen die zweiten Kondensatorelektroden gekoppelt sind. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die ersten Anschlußelemente und die zweiten Anschlußelemente in einer gemeinsamen Anschlußebene angeordnet sind, welche beispielsweise gegen die an der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden höhenversetzt ist, daß die an der Rahmenanordnung vorgesehenen zweiten Kondensatorelektroden zusammen mit den ersten und zweiten Anschlußelementen in der gemeinsamen Anschlußebene angeordnet sind, und daß die Kopplungsanordnung Mittel zur Überbrückung der Höhenversetzung zwischen den ersten Kondensatorelektroden und der gemeinsamen Anschlußebene enthält, wobei die Kopplungsanordnung eine die Höhenversetzung zu der gemeinsamen Anschlußebene überbrückende galvanische oder kapazitive Verbindung bildet.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist, daß dieser besonders einfach herstellbar ist, da alle elektrischen Anschlüsse in Form der Anschlußelemente für die ersten und zweiten Kondensatorelektroden auf einer Ebene liegen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Rahmenanordnung ein die Sensormasse seitlich umgebendes Mittelteil und ein höhenversetzt zu der Sensormasse an dem Mittelteil angeordnetes erstes Deckelteil enthält, wobei die zweiten Kondensatorelektroden auf der der Sensormasse zugewandten Seite an dem ersten Deckelteil vorgesehen sind und die ersten Kondensatorelektroden den zweiten Kondensatorelektroden gegenüberliegend an der Sensormasse vorgesehen sind, und daß die gemeinsame Anschlußebene, in welcher die ersten Anschlußelemente und die zweiten Anschlußelemente angeordnet sind, durch die der Sensormasse zugewandten Seite des ersten Deckelteils gebildet ist, in welcher auch die zweiten Kondensatorelektroden vorgesehen sind. Der Vorteil dieser Art der Anordnung liegt in einer einfachen Kontaktierung und in geringen Streukapazitäten.
Eine bevorzugte Ausführungsform hiervon sieht es vor, daß die ersten Anschlußelemente, die zweiten Anschlußelemente sowie die zweiten Kondensatorelektroden, die mit letzteren verbunden sind, aus einer einzigen auf der der Sensormasse zugewandten Seite des ersten Deckelteils ausgebildeten leitenden Schicht hergestellt sind.
Bei Ausführungsformen, bei denen die Kopplungsanordnung eine kapazitive Verbindung enthält, ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß auf der der Sensormasse zugewandten Seite des ersten Deckelteils eine zweite Kopplungselektrode ausgebildet ist, und daß an der Sensormasse eine der zweiten Kopplungselektrode gegenüberliegende erste Kopplungselektrode vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite Kopplungselektrode eine kapazitive Verbindung der Kopplungsanordnung zur Kopplung der an der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden mit einem an der Rahmenanordnung vorgesehenen ersten Anschlußelement bilden.
Diese Ausführungsform ist vorteilhafterweise so weitergebildet, daß die zweite Kopplungselektrode zusammen mit dem ersten Anschlußelement in der gemeinsamen Anschlußebene vorgesehen ist, welche durch die der Sensormasse zugewandte Seite des ersten Deckelteils gebildet ist.
Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, daß die zweite Kopplungselektrode und das damit verbundene erste Anschlußelement zusammen mit dem zweiten Kondensatorelektroden und den damit verbundenen zweiten Anschlußelementen aus einer einzigen auf der der Sensormasse zugewandten Seite des ersten Deckelteils ausgebildeten leitenden Schicht hergestellt sind.
Bei den Ausführungsbeispielen, bei denen die Rahmenanordnung ein die Sensormasse seitlich umgebendes Mittelteil und ein höhenversetzt dazu an dem Mittelteil angeordnetes erstes Deckelteil enthält, ist es vorzugsweise vorgesehen, daß ein höhenversetzt zu der Sensormasse an dem Mittelteil dem ersten Deckelteil gegenüberliegend angeordnetes zweites Deckelteil enthält, welches zusammen mit dem Mittelteil und dem ersten Deckelteil ein die Sensormasse zusammen mit den ersten Kondensatorelektroden und den zweiten Kondensatorelektroden hermetisch einschließendes Gehäuse bildet. Das den Beschleunigungssensor hermetisch einschließende Gehäuse bietet zum einen einen zuverlässigen Schutz gegen Umgebungseinflüsse und ermöglicht es zum anderen, im Inneren desselben einen geringeren Gasdruck zur Senkung der Dämpfung einzustellen.
Gemäß einer Art der Ausführung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist es vorgesehen, daß die Lagervorrichtung durch Torsionselemente gebildet ist, an welchen die Sensormasse bezüglich der Rahmenanordnung um die besagte Ausgangslage drehelastisch gelagert ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform hiervon sieht es vor, daß zwei auf einer gemeinsamen Drehachse befindliche, an einander gegenüberliegenden Seiten der Sensormasse angreifende, die Lagervorrichtung bildende Torsionselemente vorgesehen sind, wobei die Sensormasse nur bezüglich einer einzigen Richtung relativ zu der Rahmenanordnung beweglich ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors sieht es vor, daß die Torsionselemente an der Sensormasse einerseits und an dem Mittelteil der Rahmenanordnung andererseits festgelegt sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Kopplungsanordnung durch eine galvanische Verbindung gebildet ist, welche die Torsionselemente enthält.
Gemäß einer anderen Art der Ausführung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist es vorgesehen, daß die Lagervorrichtung durch ein oder mehrere Biegeelemente gebildet ist, an welchen die Sensormasse bezüglich der Rahmenanordnung um die besagte Ausgangslage biegeelastisch gelagert ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform hiervon sieht es vor, daß zwei in einer gemeinsamen Ebene befindliche, voneinander beabstandet an der Sensormasse festgelegte Biegeelemente vorgesehen sind, wobei die Sensormasse nur bezüglich einer einzigen Richtung relativ zu der Rahmenanordnung beweglich ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß die Biegeelemente an der Sensormasse einerseits und an dem ersten Deckelteil der Rahmenanordnung andererseits festgelegt sind.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, daß die Kopplungsanordnung durch eine galvanische Verbindung gebildet ist, welche die Biegeelemente enthält.
Eine weitere Art der Ausführung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors sieht es vor, daß ein einziges Biegeelement vorgesehen ist, welches zentral an der Sensormasse festgelegt ist, wobei die Sensormasse bezüglich zweier verschiedener Richtungen relativ zu der Rahmenanordnung beweglich ist, und daß die Erfassungseinrichtung zur Erzeugung zweier die Lage der Sensormasse relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierender kapazitiver Ausgangssignale vorgesehen ist. Der Vorteil dieser Art der Ausführung ist es, daß mit einer einzigen Sensormasse Beschleunigungen in zwei verschiedenen Richtungen, beispielsweise den beiden Richtungen der Horizontalebene erfaßt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hiervon ist es vorgesehen, daß die Erfassungseinrichtung vier erste Kondensatorelektroden, welche paarweise einander gegenüberliegend auf entgegengesetzten Seiten des Biegeelements an der Sensormasse vorgesehen sind, und vier Kondensatorelektroden, welche paarweise einander gegenüberliegend auf entgegengesetzten Zeiten des Biegeelements gegenüber den ersten Kondensatorelektroden an dem ersten Deckelteil der Rahmenanordnung vorgesehen sind, umfaßt.
Wenn bei den letztgenannten Ausführungsformen durch die Kopplungsanordnung eine kapazitive Verbindung gebildet werden soll, ist es insbesondere vorteilhaft vorzusehen, daß die Kopplungsanordnung eine das Biegeelement umgebende erste Kopplungselektrode, welche an der Sensormasse vorgesehen ist, und ein das Biegeelement umgebende, der ersten Kopplungselektrode gegenüberliegende zweite Kopplungselektrode umfaßt, welche an dem ersten Deckelteil der Rahmenanordnung vorgesehen ist.
Bei den Ausführungsformen, bei denen die Kopplungsanordnung eine galvanische Verbindung bildet, ist es vorteilhaft vorzusehen, daß die Kopplungsanordnung durch eine galvanische Verbindung gebildet ist, welche das Biegeelement umfaßt.
Gemäß einer weiteren Art der Ausführung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist es vorgesehen, daß zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in mehreren Richtungen mehrere mit jeweils einer kapazitiven Erfassungseinrichtung versehene Sensormassen vorgesehen sind, die unabhängig voneinander jeweils mittels einer Lagervorrichtung in einer Rahmenanordnung gelagert und jeweils mit einer kapazitiven Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines die Lage der jeweiligen Sensormasse relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierenden Ausgangssignals versehen sind.
Hierbei ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Sensormassen in einer gemeinsamen Ebene in der Rahmenanordnung gelagert sind und daß die ersten und zweiten Anschlußelemente aller Sensormassen in einer gemeinsamen Anschlußebene vorgesehen sind.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist es vorgesehen, daß eine Sensormasse zur Erfassung der Beschleunigung des Objekts in einer horizontalen Richtung vorgesehen ist, welche eine in der Höhe nach oben gegenüber dem Massenschwerpunkt versetzte Lagervorrichtung aufweist, wobei die Sensormasse bei Beschleunigung des Objekts eine Drehbewegung um eine durch die Lagervorrichtung definierte Drehachse ausführt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist es vorgesehen, daß eine Sensormasse durch Erfassung der Beschleunigung des Objekts in einer vertikalen Richtung vorgesehen ist, welche eine seitlich zum Massenschwerpunkt versetzte Lagervorrichtung aufweist, wobei die Sensormasse bei Beschleunigung des Objekts eine Drehbewegung um eine durch die Lagervorrichtung definierte Drehachse ausführt.
Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft vorzusehen, daß die ersten Kondensatorelektroden paarweise jeweils auf entgegengesetzten Seiten der durch die Lagervorrichtung definierten Drehachse auf der Sensormasse vorgesehen sind, und daß die zweiten Kondensatorelektroden ebenfalls paarweise jeweils den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend an der Rahmenanordnung vorgesehen sind, und daß zur Erzeugung des kapazitiven Ausgangssignals der Erfassungseinrichtung die Differenzkapazität der paarweisen Kondensatorelektroden verwendet wird. Die Erfassung der Differenzkapazität zur Erzeugung des Ausgangssignals ist insbesondere von Vorteil, um Störeinflüsse zu vermindern.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, daß die auf der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden durch ein leitfähiges Material gebildet sind, aus welchem die Sensormasse hergestellt ist.
Bei den Ausführungsformen, bei denen die Rahmenanordnung ein die Sensormasse seitlich umgebendes Mittelteil und ein daran angeordnetes erstes Deckelteil enthält, ist es vorteilhaft, wenn das erste Deckelteil der Rahmenanordnung aus einem alkalimetallhaltigen Glas hergestellt ist.
Ebenso ist es vorteilhaft vorzusehen, daß das zweite Deckelteil der Rahmenanordnung aus einem alkalimetallhaltigen Glas hergestellt ist.
Schließlich ist ein Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors nach einer der vorgenannten Ausführungsformen vorgesehen, wobei jede der Sensormassen zunächst mit einer eigenen Rahmenanordnung als Einzelsensor angefertigt wird, und daß die Einzelsensoren dann zu einem Gesamtsensor zusammengefügt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
1a eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in einer Richtung (x) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
1b ein elektrisches Ersatzschaltbild des kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß 1a);
2 eine Querschnittsansicht eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß dem in 1a) gezeigten ersten Ausführungsbeispiel;
3 die perspektivischen Ansichten von drei Sensormassen eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in drei Richtungen (x, y, z) in Erweiterung des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
4a) eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in einer Richtung (x) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4b) ein elektrisches Ersatzschaltbild des kapazitiven Beschleunigungssensors von 4 gemäß einer Variante mit kapazitiver Kopplung;
4c) ein elektrisches Ersatzschaltbild des kapazitiven Beschleunigungssensors von 4a) gemäß einer Variante mit galvanischer Kopplung;
5 eine Querschnittsansicht des mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß dem Ausführungsbeispiel von 4a);
6 eine Querschnittsansicht eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine perspektivische Ansicht einer Sensormasse eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in zwei Richtungen (x, y), gemäß einem vierten und einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8a) und b) jeweils Draufsichten aus Anordnungen von Kondensator- und Anschlußelementen eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in zwei Richtungen (x, y) gemäß dem vierten und fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1a) und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in einer Richtung, nämlich der Richtung x, insgesamt mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Der Beschleunigungssensor 100 umfaßt eine Rahmenanordnung 110, welche aus einem Mittelteil 111, einem ersten Deckelteil 112 und einem zweiten Deckelteil 113 besteht, wobei letzteres nur in 2 gezeigt ist. Die Rahmenanordnung 110 ist bezüglich dem Objekt, dessen Beschleunigung erfaßt werden soll, ortsfest angeordnet. Der Beschleunigungssensor 100 enthält eine träge Sensormasse 101, welche relativ zu der Rahmenanordnung 110 des Beschleunigungssensors 100 beweglich ist und die mittels einer Lagervorrichtung 105 bezüglich der Rahmenanordnung 110 um eine Ausgangslage elastisch gelagert ist. Das Mittelteil 111 der Rahmenanordnung 110 umgibt die Sensormasse 101 seitlich und das erste Deckelteil 112 ist höhenversetzt zu der Sensormasse 101 an dem Mittelteil 111 angeordnet.
Die Lagervorrichtung 105 ist bei dem in den 1a) und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch Torsionselemente gebildet, an welchen die Sensormasse 101 bezüglich der Rahmenanordnung 110, d. h. bezüglich dessen Mittelteil 111 um die besagte Ausgangslage drehelastisch gelagert ist. Die die Lagervorrichtung 105 bildenden Torsionselemente sind auf einer gemeinsamen Drehachse befindlich an einander gegenüberliegenden Seiten der Sensormasse 110 vorgesehen und die Sensormasse 101 ist damit nur bezüglich einer einzigen Richtung, nämlich der in 1a) mit x bezeichneten Koordinatenrichtung relativ zu der Rahmenanordnung 110 beweglich. Die Sensormasse 101 bewegt sich beim Auftreten einer Beschleunigungskraft Fx in Richtung der x-Achse um diese Drehachse, wobei die Auslenkung am Rand der Sensormasse 101 nach oben und unten gerichtet ist. Die Torsionselemente 105 sind einerseits an dem Mittelteil 111 der Rahmenanordnung 110 und andererseits an der Sensormasse 101 drehstabil festgelegt.
Weiterhin umfaßt der Beschleunigungssensor 100 eine kapazitive Erfassungseinrichtung 120 zur Erzeugung eines kapazitiven Ausgangssignals, welches die Lage der Sensormasse 101 relativ zu der Rahmenanordnung 110 repräsentiert und welche an der Sensormasse 101 vorgesehene erste Kondensatorelektroden 121, 122 und an der Rahmenanordnung 110 den ersten Kondensatorelektroden 121, 122 gegenüberliegend vorgesehene zweite Kondensatorelektroden 125, 126 umfaßt. Die an der Sensormasse 101 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden 121, 122 sind über eine Kopplungsanordnung, die durch eine die Torsionselemente 105 umfassende galvanische Verbindung gebildet ist und die über eine Metallisierung 141 an dem Mittelteil 111 der Rahmenanordnung 110 verläuft, mit einem an der Rahmenanordnung 110, nämlich an deren ersten Deckelteil 112 vorgesehenen ersten Anschlußelement 142 verbunden. Zweite Anschlußelemente 145, 146, die ebenfalls an dem ersten Deckelteil 112 der Rahmenanordnung 110 vorgesehen sind, sind mit den zweiten Kondensatorelektroden gekoppelt.
Die auf der Sensormasse 101 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden 121, 122 sind durch ein leitfähiges Material gebildet, aus welchem die Sensormasse 101 hergestellt ist. Auf diese Weise ergibt sich für die ersten und zweiten Kondensatorelektroden 121, 122 und 125, 126 ein elektrisches Ersatzschaltbild, wie es in 1b) gezeigt ist. Zwei Kapazitäten E1 und E3 sind zwischen zwei Bezugsspannungen +Vref (Anschlußelement 145) und –Vref (Anschlußelement 146) in Reihe geschaltet und in ihrer Mitte mit einer Klemme K1 verbunden (Anschlußelement 142), an welcher das Ausgangssignal Vout abgenommen werden kann.
Das erste Anschlußelement 142 und die zweiten Anschlußelemente 145, 146 sind in einer gemeinsamen Anschlußebene 150 angeordnet, welche bei dem hier besprochenen ersten Ausführungsbeispiel gegen die an der Sensormasse 101 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden 121, 122 versetzt ist, wobei diese Höhenversetzung mittels der durch die Torsionselemente 105, die Metallisierung 141 und das erste Anschlußelement 142 gebildete Kopplungsanordnung überbrückt wird. In der besagten gemeinsamen Anschlußebene 150 sind zusammen mit den ersten und zweiten Anschlußelementen 142 und 145, 146 auch die zweiten Kondensatorelektroden 125, 126 angeordnet, wobei die Anschlußebene 150 durch die eine Seite des ersten Deckelteils 112 gebildet ist. Das erste Anschlußelement 142, die zweiten Anschlußelemente 145, 146 sowie die zweiten Kondensatorelektroden 125, 126, die mit den letzteren verbunden sind, sind aus einer einzigen auf der der Sensormasse 101 zugewandten Seite des ersten Deckelteils 112 ausgebildeten leitenden Schicht hergestellt.
Wie aus 2 ersichtlich ist, bildet das Mittelteil 111 zusammen mit dem ersten Deckelteil 112 und dem zweiten Deckelteil 113 ein hermetisch einschließendes Gehäuse, innerhalb dessen die Sensormasse 101 zusammen mit den ersten Kondensatorelektroden 121, 122 und den zweiten Kondensatorelektroden 125, 126 angeordnet ist.
Das erste Deckelteil 112 und das zweite Deckelteil 113 der Rahmenanordnung 110 sind aus einem alkalimetallhaltigen Glas hergestellt.
3 zeigt die Sensormassen 101, 102, 103, die zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in mehreren Richtungen, nämlich den Richtungen x, y, z des in 3 dargestellten Koordinatensystems vorgesehen sind. Die Sensormasse 101 (Teilfigur A) entspricht der Sensormasse 101 des in den 1a) und 2 dargestellten Beschleunigungssensors. Sie ist mittels Torsionselementen 105 torsionselastisch gelagert und dabei um eine Ausgangslage beweglich. Die Torsionselemente 105 definieren eine Drehachse, welche gegen den Massenschwerpunkt Mx der Sensormasse 101 in der Höhe nach oben versetzt ist, so daß eine in x-Richtung wirkende Beschleunigungskraft Fx eine Auslenkung Sx bewirkt. Die Sensormasse 102 (Teilfigur B) entspricht in ihrer Konfiguration im wesentlichen der Sensormasse 101, verfügt ebenfalls über Torsionselemente 106, welche eine Lagervorrichtung bilden, mittels derer die Sensormasse 102 drehelastisch gelagert ist, jedoch ist die durch die Torsionselemente 106 definierte Drehachse in der horizontalen Ebene um 90° gegenüber der Drehachse der Sensormasse 101 verdreht. Die durch die Torsionselemente 106 gebildete Drehachse ist wiederum gegen den Massenschwerpunkt My der Sensormasse 102 in der Höhe nach oben versetzt, so daß eine in y-Richtung wirkende Beschleunigungskraft Fy eine Auslenkung Sy der Sensormasse um ihre Ausgangslage hervorruft. Die Sensormassen 101 und 102 sind entsprechend der Sensormasse 101 der 1a) und 2 mit ersten Kondensatorelektroden 121 und 122 einer (in 3 nicht eigens dargestellten) kapazitiven Erfassungseinrichtung versehen, welche ein die Lage der Sensormasse 101 bzw. 102 relativ zu einer (in 3 ebenfalls nicht eigens dargestellten Rahmenanordnung) repräsentierendes kapazitives Ausgangssignal erzeugt.
Eine dritte Sensormasse 103 (Teilfigur C der 3) ist mittels eine Lagervorrichtung bildenden Torsionselementen 107 um eine Drehachse drehbar gelagert. Der Massenschwerpunkt Mz ist seitlich versetzt zu der durch die Torsionselemente 107 gebildete Drehachse. Eine durch eine Beschleunigung in der vertikalen z-Richtung bewirkte vertikale Beschleunigung Fz bewirkt eine Auslenkung Sz des Endes der Sensormasse 103, wie in Teilfigur C gezeigt ist.
Jede der Sensormassen 101, 102, 103 ist mit einer kapazitiven Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines ihre jeweilige Lage relativ zu einer (nicht dargestellten) Rahmenanordnung repräsentierenden Ausgangssignals versehen. Diese kapazitive Erfassungseinrichtung besteht jeweils aus (in 3 nicht dargestellten) ersten Kondensatorelektroden, die paarweise jeweils auf entgegengesetzten Seiten der durch die Torsionselemente 105, 106 bzw. 107 definierten Drehachsen Ax, Ay, Az vorgesehen. Diesen ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend sind zweite Kondensatorelektroden der kapazitiven Erfassungseinrichtung an der (nicht dargestellten) Rahmenanordnung des Beschleunigungssensors vorgesehen. Für die in den Teilfiguren A und B dargestellten Sensormassen 101 und 102 bedeutet dies eine Anordnung ähnlich der, wie sie in 1a) und 2 dargestellt ist, bei der in der Teilfigur C der 3 dargestellten Sensormasse 103 ist die eine erste Kondensatorelektrode links von der durch die Torsionselemente 107 definierten Drehachse auf dem kurzen Stück der Sensormasse 103 angeordnet, die andere Kondensatorelektrode rechts von der durch die Torsionselemente 107 definierten Drehachse symmetrisch zu der ersteren. Zur Erzeugung des kapazitiven Ausgangssignals der kapazitiven Erfassungseinrichtungen wird wiederum die Differenzkapazität der paarweisen Kondensatorelektroden verwendet, ähnlich wie bei dem anhand der 1 und 2 erläuterten Ausführungsbeispiel. Die auf der Sensormasse 101, 102 bzw. 103 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden sind bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch ein leitfähiges Material gebildet, aus welchem die Sensormasse 101, 102, 103 hergestellt ist.
Jede der in 3 dargestellten Sensormassen 101, 102, 103 wird vorzugsweise zunächst mit einer eigenen Rahmenanordnung als Einzelsensor hergestellt, diese Einzelsensoren werden dann zu einem Gesamtsensor zusammengefügt, welche in der Lage ist, Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen x, y, z zu erfassen.
Der in 4a), 5 und 6 dargestellte Beschleunigungssensor gemäß einem zweiten und einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 200; 300 bezeichnet. Der Beschleunigungssensor 200; 300, der zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in einer Richtung x des in 4a) eingezeichneten Koordinatensystems dient, umfaßt eine Rahmenanordnung 210; 310 welche bezüglich dem Objekt ortsfest ist, dessen Beschleunigung erfaßt werden soll, und umfaßt weiterhin eine träge Sensormasse 201; 301, welche relativ zu der Rahmenanordnung 210; 310 des Beschleunigungssensors 200; 300 beweglich ist. Die Sensormasse 201; 301 ist mittels einer Lagervorrichtung 205; 305 bezüglich der Rahmenanordnung 210; 310 um eine Ausgangslage elastisch gelagert.
Die Rahmenanordnung 210; 310 umfaßt ein die Sensormasse 201; 301 seitlich umgebendes Mittelteil 211; 311 und ein höhenversetzt zu der Sensormasse 201; 301 an dem Mittelteil 211; 311 angeordnetes erstes Deckelteil 212, 312. Die Lagervorrichtung ist bei den in 4 bis 6 dargestellten zweiten und dritten Ausführungsbeispielen durch Biegeelemente 205; 305 gebildet, an welchen die Sensormasse 201; 301 bezüglich der Rahmenanordnung 210; 310 um die besagte Ausgangslage biegeelastisch gelagert ist. Wie aus 4a) zu sehen ist, sind davon zwei in einer gemeinsamen Ebene befindliche, voneinander beabstandet an der Sensormasse 201; 301 festgelegte Biegeelemente 205; 305 vorgesehen, welche eine Drehachse definieren, um welche die Sensormasse 201; 301 sich beim Auftreten einer Beschleunigungskraft Fx in Richtung der x-Achse bewegt, wobei die Auslenkung Sx am Rand der Sensormasse 201; 301 nach oben und unten gerichtet ist. Die Biegeelemente 205; 305 sind einerseits an der Sensormasse 201; 301 festgelegt und andererseits an dem ersten Deckelteil 212; 312 der Rahmenanordnung 210; 310.
Der Beschleunigungssensor 200; 300 verfügt über eine kapazitive Erfassungseinrichtung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 220; 320 versehen ist und der Erzeugung eines die Lage der Sensormasse 201; 301 relativ zu der Rahmenanordnung 210; 310 und damit die Größe der die Sensormasse 201; 301 aus ihrer Ausgangslage auslenkenden Beschleunigungskraft Fx repräsentierenden Ausgangssignals dient. Dieses ist ein Maß für die Beschleunigung des Objekts, an welchem der Beschleunigungssensor angebracht ist. Die kapazitive Erfassungseinrichtung 220; 320 enthält erste Kondensatorelektroden 221, 222; 321, 322, welche an der Sensormasse 201; 301 vorgesehen sind, und zweite Kondensatorelektroden 225, 226; 325, 326, die den ersten Kondensatorelektroden 221, 222; 321, 322 gegenüberliegend an der Rahmenanordnung 210; 310, genau gesagt an deren erstem Deckelteil 212; 312 vorgesehen sind.
Allgemein ist eine Kopplungsanordnung vorgesehen, die der Kopplung der an der Sensormasse 201; 301 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden 221, 222 bzw. 321, 322 mit ersten Anschlußelementen dient, von denen das erste Anschlußelement 242 des Beschleunigungssensors 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel in 4a) zu sehen ist. Dieses erste Anschlußelement 242 ist an der Rahmenanordnung 210, genauer an deren erstem Deckelteil 212 angeordnet. Für den in 6 dargestellten Beschleunigungssensor 300 nach dem dritten Ausführungsbeispiel verhält es sich entsprechend, wobei dort das dem ersten Anschlußelement 242 von 4a) entsprechende Anschlußelement jedoch nicht sichtbar ist.
Die an dem ersten Deckelteil 212; 312 vorgesehenen zweiten Kondensatorelektroden 225, 226 bzw. 325, 326 sind mit zweiten Anschlußelementen gekoppelt, von denen wiederum die zweiten Anschlußelemente 245, 246, die mit den zweiten Kondensatorelektroden 225; 226 des Beschleunigungssensors 200 verbunden sind, in 4a) zu sehen sind. Für den in 6 dargestellten Beschleunigungssensor 300 des dritten Ausführungsbeispiels verhält es sich entsprechend.
Die ersten Anschlußelemente, vgl. das Anschlußelement 242 in 4a), und die zweiten Anschlußelemente, vgl. die Anschlußelemente 245, 246 in 4a), sind in einer gemeinsamen Anschlußebene 250; 350 angeordnet, welche gegen die an der Sensormasse 201; 301 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden 221, 222; 321, 322 höhenversetzt und durch die der Sensormasse 201; 301 zugewandte Seite des ersten Deckelteils 212; 312 gebildet ist. Die Kopplungsanordnung, welche die auf der Sensormasse 201 bzw. 301 befindlichen ersten Kondensatorelektroden 221, 222 bzw. 321, 322 mit den ersten Anschlußelementen, vgl. 242 in 4a), verbindet, bildet eine Überbrückung der Höhenversetzung zwischen der Sensormasse 201; 301 und der besagten gemeinsamen Anschlußebene 250; 350.
Bei dem Beschleunigungssensor 200 des in 4a) und 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels ist die Kopplungsanordnung durch eine kapazitive Verbindung gebildet, die eine auf der der Sensormasse 201 zugewandten Seite des ersten Deckelteils 212 ausgebildete zweite Kopplungselektrode 232 und eine dieser gegenüberliegend an der Sensormasse 201 ausgebildete erste Kopplungselektrode 231 umfassen. Die zweite Kopplungselektrode 232 ist mit dem oben genannten ersten Anschlußelement 242 verbunden, welche an der der Sensormasse 201 zugewandten Seite des ersten Deckelteils 212 vorgesehen ist, vgl. 4a).
4b) zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des Beschleunigungssensors 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie es in 4a) und 5 dargestellt ist. Wie ersichtlich ist, sind die durch die ersten Kondensatorelektroden 221, 222 und die zweiten Kondensatorelektroden 225, 226 gebildeten Kapazitäten E1 und E3 zwischen einer positiven Bezugsspannung +Vref (Anschlußklemme 245) und einer negativen Bezugsspannung –Vref (Anschlußklemme 246) in Reihe geschaltet, wobei deren Mitte über eine durch die kapazitive Kopplungsanordnung gebildete Kapazität E2 das Ausgangssignal Vout abgibt.
Bei dem in 6 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors 300 dagegen sind die ersten Kondensatorelektroden 321, 322 auf galvanischem Wege mit dem ersten Anschlußelement entsprechend dem Anschlußelement 242 in 4a) verbunden, nämlich über die Biegeelemente 305, welche aus einem leitenden Material gebildet sind. Auf diese Weise entsteht eine galvanische Verbindung der durch die ersten Kondensatorelektroden 321, 322 und 325, 326 gebildeten Kapazitäten E1 und E3, über die die Ausgangsspannung Vout abgenommen werden kann, vgl. 4c).
Wie auch bei dem in 1a) und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors ist bei den Beschleunigungssensoren 200 und 300 gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispielen den 4a), 5 und 6 sowohl das erste Deckelteil 212; 312 als auch das zweite Deckelteil 213; 313 aus einem alkalimetallhaltigen Glas hergestellt. Das an dem Mittelteil 211; 311 der Rahmenanordnung 210; 310 dem ersten Deckelteil 212; 312 gegenüberliegend angeordnete zweite Deckelteil 213; 313 bildet zusammen mit dem Mittelteil 211; 311 und dem ersten Deckelteil 212; 312 ein die Sensormasse 201; 301 zusammen mit den ersten Kondensatorelektroden 221, 222; 321, 322 und den zweiten Kondensatorelektroden 225, 226; 325, 326 hermetisch einschließendes Gehäuse.
Die ersten Anschlußelemente, vgl. 242 in 4a), die zweiten Anschlußelemente, vgl. 245, 246 in 4a), und die zweiten Kondensatorelektroden 225, 226 bzw. 325, 326 sind bei den in 4a), 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen aus einer einzigen leitenden Schicht hergestellt, die auf der der Sensormasse 201; 301 zugewandten Seite des ersten Deckelteils 212; 312 ausgebildet ist.
7 zeigt eine Sensormasse 401; 501 von vierten und fünften Ausführungsbeispielen des Beschleunigungssensors, bei denen Beschleunigungen in zwei Richtungen, nämlich den Richtungen x und y der Horizontalebene erfaßt werden können. An der Sensormasse 401; 501 ist zentral ein einziges Biegeelement 405; 505 festgelegt, so daß die Sensormasse beim Auftreten von Beschleunigungskräften Fx bzw. Fy bezüglich einer (in 7 nicht dargestellten) Rahmenanordnung in zwei verschiedenen Richtungen beweglich ist.
Zum Erfassen von die Lage der Sensormasse 401; 501 repräsentierenden Ausgangssignalen sind kapazitive Erfassungseinrichtungen vorgesehen, welche anhand der 8a) und b) beschrieben werden sollen.
8 zeigt einen Teil von kapazitiven Erfassungseinrichtungen 420; 520 zum Erfassen der Lage der Sensormasse 401; 501 in zwei Richtungen. Diese enthält vier zweite Kondensatorelektroden 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528, die paarweise einander gegenüberliegend auf entgegengesetzten Seiten des Biegeelements 405; 505 an einem ersten Deckelteil 412; 512 einer Rahmenanordnung vorgesehen sind, ähnlich den in 1a) und 2 bzw. 4a) bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen. Diese zweiten Kondensatorelektroden 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528 sind elektrisch verbunden mit zweiten Anschlußelementen 445, 446, 447, 448; 545, 546, 547, 548. Den zweiten Kondensatorelektroden 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528 gegenüberliegend sind an der Sensormasse 401; 501 ähnliche erste Kondensatorelektroden vorgesehen, welche in 7 jedoch nicht eigens dargestellt sind.
Bei dem in 8a) dargestellten vierten Ausführungsbeispiel enthält eine Kopplungsanordnung, welche die ersten Kondensatorelektroden, die auf der Sensormasse 401 vorgesehen sind, mit einem ersten Anschlußelement 442 auf dem ersten Deckelteil 412 verbindet, eine das Biegeelement 405 umgebende erste Kopplungselektrode, welche an der Sensormasse 401 vorgesehen ist (nicht dargestellt) und eine das Biegeelement 405 umgebende, der ersten Kopplungselektrode gegenüberliegend angebrachte zweite Kopplungselektrode 432, welche an dem ersten Deckelteil 412 der Rahmenanordnung vorgesehen ist. Auf diese Weise wird eine kapazitive Verbindung zwischen den an der Sensormasse 401 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden und dem ersten Anschlußelement 442 gebildet.
Bei dem in 8b) gezeigten fünften Ausführungsbeispiel dagegen ist die Kopplungsanordnung durch eine galvanische Verbindung gebildet, welche das Biegeelement 505 umfaßt, so daß die an der Sensormasse 501, vgl. 7, vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden über das Biegeelement 505 galvanisch mit dem ersten Anschlußelement 542 verbunden sind.
Wie auch bei den vorherigen Ausführungsbeispielen sind die an der Sensormasse 401; 501 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden durch ein leitfähiges Material gebildet, aus welchem die Sensormasse 401; 501 hergestellt ist.
Bezugszeichenliste

100; 200; 300: Beschleunigungssensor
101, 102, 103; 201; 301; 401; 501: Sensormasse
105, 106, 107; 205; 305; 405; 505: Lagervorrichtung
110; 210; 310: Rahmenanordnung
111; 211; 311: Mittelteil
112; 212; 312; 412; 512: erstes Deckelteil
113; 213; 313: zweites Deckelteil
120; 220; 320; 420; 520: kapazitive Erfassungseinrichtung
121, 122; 221, 222; 321, 322: erste Kondensatorelektroden
125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528: zweite Kondensatorelektroden
141, 142; 231, 232, 242; 332; 432, 442; 542: Kopplungsanordnung
231: erste Kopplungselektrode
232; 332; 432: zweite Kopplungselektrode
141: Metallisierung
142; 242; 442; 542: erste Anschlußelemente
145, 146; 245, 246; 445, 446, 447; 545, 546, 547, 548: zweite Anschlußelemente
150; 250; 350; 450; 550: Anschlußebene

Claims

Mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in mindestens einer Richtung (x, y, z), mit einer Rahmenanordnung (110; 210; 310), welche bezüglich dem Objekt ortsfest ist, mit einer trägen Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501), welche relativ zu der Rahmenanordnung (110; 210; 310) des Beschleunigungssensors (100; 200; 300) beweglich ist, mit einer Lagervorrichtung (105, 106, 107; 205; 305; 405; 505), durch welche die Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) bezüglich der Rahmenanordnung (110; 210; 310) um eine Ausgangslage elastisch gelagert ist, und mit einer kapazitiven Erfassungseinrichtung (120; 220; 320; 420; 520) zur Erzeugung mindestens eines die Lage der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) relativ zu der Rahmenanordnung (110; 210; 310) repräsentierenden kapazitiven Ausgangssignals, welche an der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) vorgesehene erste Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) und an der Rahmenanordnung (110; 210; 310) den ersten Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) gegenüberliegend vorgesehene zweite Kondensatorelektroden (125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528) umfaßt, und mit einer Kopplungsanordnung (141, 142; 231, 232, 242; 332; 432; 442; 542) zur Kopplung der an der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) mit an der Rahmenanordnung (110; 210; 310) vorgesehenen ersten Anschlußelementen (142; 242; 442; 542), und mit zweiten Anschlußelementen (145, 146; 245, 246; 445, 446, 447, 448; 545, 546, 547, 548), mit welchen die zweiten Kondensatorelektroden (125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528) gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Anschlußelemente (142; 242; 442; 542) und die zweiten Anschlußelemente (145, 146; 245, 246; 445, 446, 447, 448; 545, 546, 547, 548) in einer gemeinsamen Anschlußebene (150; 250; 350; 450; 550) angeordnet sind, welche gegen die an der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) höhenversetzt ist, daß die an der Rahmenanordnung (110; 210; 310) vorgesehenen zweiten Kondensatorelektroden (125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528) zusammen mit den ersten und zweiten Anschlußelementen (142; 242; 442; 542 bzw. 145, 146; 245, 246; 445, 446, 447, 448; 545, 546, 547, 548) in der gemeinsamen Anschlußebene (150; 250; 350; 450; 550) angeordnet sind, und daß die Kopplungsanordnung (141, 142; 231, 232, 242; 332; 432, 442; 542) Mittel zur Überbrückung der Höhenversetzung zwischen den ersten Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) und der gemeinsamen Anschlußebene (150; 250; 350; 450; 550) enthält, wobei die Kopplungsanordnung (141, 142; 231, 232, 242; 332; 432, 442; 542) eine die Höhenversetzung zu der gemeinsamen Anschlußebene (150; 250; 350; 450; 550) überbrückende galvanische oder kapazitive Verbindung bildet.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenanordnung (110; 210; 310) ein die Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) seitlich umgebendes Mittelteil (111; 211; 311) und ein höhenversetzt zu der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) an dem Mittelteil (111; 211; 311) angeordnetes erstes Deckelteil (112; 212; 312; 412; 512) enthält, wobei die zweiten Kondensatorelektroden (125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528) auf der der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) zugewandten Seite an dem ersten Deckelteil (112; 212; 312; 412; 512) vorgesehen sind und die ersten Kondensatorelektroden (121; 122; 221, 222; 321, 322) den zweiten Kondensatorelektroden (125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528) gegenüberliegend an der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) vorgesehen sind, und daß die gemeinsame Anschlußebene (150; 250; 350; 450; 550), in welcher die ersten Anschlußelemente (142; 242; 442; 542) und die zweiten Anschlußelemente (145, 146; 245, 246; 445, 446, 447, 448; 545, 546, 547, 548) angeordnet sind, durch die der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) zugewandten Seite des ersten Deckelteils (112; 212; 312; 412; 512) gebildet ist, in welcher auch die zweiten Kondensatorelektroden (125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528) vorgesehen sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Anschlußelemente (142; 242; 442; 542), die zweiten Anschlußelemente (145, 146; 245, 246; 445, 446, 447, 448; 545, 546, 547, 548) sowie die zweiten Kondensatorelektroden (125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528), die mit letzteren verbunden sind, aus einer einzigen auf der der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) zugewandten Seite des ersten Deckelteils (112; 212; 312; 412; 512) ausgebildeten leitenden Schicht hergestellt sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Sensormasse (201) zugewandten Seite des ersten Deckelteils (212) eine zweite Kopplungselektrode (232) ausgebildet ist, und daß an der Sensormasse (201) eine der zweiten Kopplungselektrode (232) gegenüberliegende erste Kopplungselektrode (231) vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite Kopplungselektrode (231, 232) eine kapazitive Verbindung der Kopplungsanordnung (231, 232, 242) zur Kopplung der an der Sensormasse (201) vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden (221, 222) mit einem an der Rahmenanordnung (210) vorgesehenen ersten Anschlußelement (242; 442) bilden.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kopplungselektrode (232; 432) zusammen mit dem ersten Anschlußelement (242; 442) in der gemeinsamen Anschlußebene (250; 450) vorgesehen ist, welche durch die der Sensormasse (201; 401) zugewandte Seite des ersten Deckelteils (212; 412) gebildet ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kopplungselektrode (232; 432) und das damit verbundene erste Anschlußelement (242; 442) zusammen mit den zweiten Kondensatorelektroden (225, 226; 425, 426, 427, 428) und den damit verbundenen zweiten Anschlußelementen (245, 246; 445, 446, 447, 448) aus einer einzigen auf der der Sensormasse (201; 401) zugewandten Seite des ersten Deckelteils (212) ausgebildeten leitenden Schicht hergestellt sind.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein höhenversetzt zu der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) an dem Mittelteil (111; 211; 311) dem ersten Deckelteil (112; 212; 312; 412; 512) gegenüberliegend angeordnetes zweites Deckelteil (113; 213; 313) vorgesehen ist, welches zusammen mit dem Mittelteil (111; 211; 311) und dem ersten Deckelteil (112; 212; 312; 412; 512) ein die Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) zusammen mit den ersten Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) und den zweiten Kondensatorelektroden (125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528) hermetisch einschließendes Gehäuse bildet.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagervorrichtung (105, 106, 107) durch Torsionselemente gebildet ist, an welchen die Sensormasse (101, 102, 103) bezüglich der Rahmenanordnung (110) um die besagte Ausgangslage drehelastisch gelagert ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei auf einer gemeinsamen Drehachse befindliche, an einander gegenüberliegenden Seiten der Sensormasse (101, 102, 103) angreifende, die Lagervorrichtung (105, 106, 107) bildende Torsionselemente vorgesehen sind, wobei die Sensormasse (101, 102, 103) nur bezüglich einer einzigen Richtung (x, y, z) relativ zu der Rahmenanordnung (110) beweglich ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionselemente (105, 106, 107) an der Sensormasse (101, 102, 103) einerseits und an dem Mittelteil (111) der Rahmenanordnung (110) andererseits festgelegt sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsanordnung (141, 142) durch eine galvanische Verbindung gebildet ist, welche die Torsionselemente (105, 106, 107) enthält.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagervorrichtung (205; 305; 405; 505) durch ein oder mehrere Biegeelemente gebildet ist, an welchen die Sensormasse (201; 301; 401; 501) bezüglich der Rahmenanordnung (210; 310) um die besagte Ausgangslage biegeelastisch gelagert ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in einer gemeinsamen Ebene befindliche, voneinander beabstandet an der Sensormasse (201; 301) festgelegte Biegeelemente (205; 305) vorgesehen sind, wobei die Sensormasse (201; 301) nur bezüglich einer einzigen Richtung (x) relativ zu der Rahmenanordnung (210; 310) beweglich ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegeelemente (205; 305) an der Sensormasse (201; 301) einerseits und an dem ersten Deckelteil (212; 312) der Rahmenanordnung (210; 310) andererseits festgelegt sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsanordnung (231, 232, 242; 332) durch eine galvanische Verbindung gebildet ist, welche die Biegeelemente (205; 305) enthält.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Biegeelement (405; 505) vorgesehen ist, welches zentral an der Sensormasse (401; 501) festgelegt ist, wobei die Sensormasse (401; 501) bezüglich zweier verschiedener Richtungen (x, y) relativ zu der Rahmenanordnung beweglich ist, und daß die Erfassungseinrichtung (420; 520) zur Erzeugung zweier die Lage der Sensormasse (401; 501) relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierender kapazitiver Ausgangssignale vorgesehen ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (420; 520) vier erste Kondensatorelektroden, welche paarweise einander gegenüberliegend auf entgegengesetzten Seiten des Biegeelements (405; 505) an der Sensormasse (401; 501) vorgesehen sind, und vier zweite Kondensatorelektroden (425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528), welche paarweise einander gegenüberliegend auf entgegengesetzten Seiten des Biegeelements (405; 505) gegenüber den ersten Kondensatorelektroden an dem ersten Deckelteil (412; 512) der Rahmenanordnung vorgesehen sind, umfaßt.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsanordnung (432, 442) eine das Biegeelement (405) umgebende erste Kopplungselektrode, welche an der Sensormasse (401) vorgesehen ist, und ein das Biegeelement (405) umgebende, der ersten Kopplungselektrode gegenüberliegende zweite Kopplungselektrode (432) umfaßt, welche an dem ersten Deckelteil (412) der Rahmenanordnung vorgesehen ist.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsanordnung (542) durch eine galvanische Verbindung gebildet ist, welche das Biegeelement (505) umfaßt.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in mehreren Richtungen (x, y, z) mehrere mit jeweils einer kapazitiven Erfassungseinrichtung versehene Sensormassen (101, 102, 103) vorgesehen sind, die unabhängig voneinander jeweils mittels einer Lagervorrichtung (105, 106, 107) in einer Rahmenanordnung gelagert und jeweils mit einer kapazitiven Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines die Lage der jeweiligen Sensormasse (101, 102, 103) relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierenden Ausgangssignals versehen sind.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensormassen (101, 102, 103) in einer gemeinsamen Ebene in der Rahmenanordnung gelagert sind und daß die ersten und zweiten Anschlußelemente aller Sensormassen (101, 102, 103) in einer gemeinsamen Anschlußebene vorgesehen sind.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensormasse (101, 102; 201; 301; 401; 501) zur Erfassung der Beschleunigung des Objekts in einer horizontalen Richtung (x, y) vorgesehen ist, welche eine in der Höhe nach oben gegenüber dem Massenschwerpunkt (Mx, My) versetzte Lagervorrichtung (105, 106; 205; 205; 405; 505) aufweist, wobei die Sensormasse (101, 102; 201; 301) bei Beschleunigung des Objekts eine Drehbewegung um eine durch die Lagervorrichtung (107) definierte Drehachse (Ax, Ay) ausführt.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensormasse (103) durch Erfassung der Beschleunigung des Objekts in einer vertikalen Richtung (z) vorgesehen ist, welche eine seitlich zum Massenschwerpunkt (Mz) versetzte Lagervorrichtung (107) aufweist, wobei die Sensormasse (103) bei Beschleunigung des Objekts eine Drehbewegung um eine durch die Lagervorrichtung (107) definierte Drehachse (Az) ausführt.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) paarweise jeweils auf entgegengesetzten Seiten der durch die Lagervorrichtung (105, 106, 107; 205; 305; 405; 505) definierten Drehachse (Ax, Ay, Az) auf der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) vorgesehen sind, und daß die zweiten Kondensatorelektroden (125, 126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528) ebenfalls paarweise jeweils den ersten Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) gegenüberliegend an der Rahmenanordnung (110; 210; 310) vorgesehen sind, und daß zur Erzeugung des kapazitiven Ausgangssignals der Erfassungseinrichtung (120; 220; 320; 420; 520) die Differenzkapazität der paarweisen Kondensatorelektroden verwendet wird.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden (121, 122; 221, 222; 321, 322) durch ein leitfähiges Material gebildet sind, aus welchem die Sensormasse (101, 102, 103; 201; 301; 401; 501) hergestellt ist.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 2 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Deckelteil (112; 212; 312; 412; 512) der Rahmenanordnung (110; 210; 310) aus einem alkalimetallhaltigen Glas hergestellt ist.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 7 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Deckelteil (113; 213; 313) der Rahmenanordnung (110; 210; 310) aus einem alkalimetallhaltigen Glas hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Sensormassen (101, 102, 103) zunächst mit einer eigenen Rahmenanordnung als Einzelsensor angefertigt wird, und daß die Einzelsensoren dann zu einem Gesamtsensor zusammengefügt werden.