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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen Z-Beschleunigungssensor nach dem Wippenprinzip,
der eine verringerte Störempfindlichkeit durch
konstruktiv bedingte Fehlauslenkungen aufweist. Derartige Sensoren
können
vorrangig in Sicherheitssystemen von Kraftfahrzeugen Verwendung finden.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, Drehbeschleunigungen mit Hilfe von Sensoren zu detektieren,
die auf der Verwendung von auslenkbar befestigten und symmetrisch
um eine Torsionsfeder angeordneten seismischen Massen beruhen (
EP 0244581 A1 ).
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Es
ist ebenso bekannt, Linearbeschleunigungen mit Hilfe von sogenannten
Z-Sensoren zu detektieren, die auf der Verwendung von auslenkbar
befestigten und asymmetrisch um eine Torsionsfeder angeordneten
seismischen Massen beruhen (
EP 0773443
A1 ). Die zu messende Beschleunigung wirkt in diesen Systemen
senkrecht zur Waferebene.
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In
beiden Sensortypen erfolgt die Ausgestaltung der seismischen Massen
als planare Gebilde in Form von sogenannten Wippen. Die Auswertung
ihrer Auslenkung, aus der Rückschlüsse auf
die auftretenden Beschleunigungen gezogen werden, erfolgt in der
Regel kapazitiv. Zu diesem Zweck werden Elektroden parallel zur
beweglichen Wippe angeordnet. Die Elektroden bilden gemeinsam mit
Teilen der Wippenflächen
Kondensatoren, deren Kapazität
von den jeweiligen Abständen
zwischen den Elektroden und den korrespondierenden Wippenflächen abhängt. Es
haben sich symmetrische Kondensatoranordnungen etabliert, die beidseits
der Torsionsfeder auswertbare Signale liefern.
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Torsionsbewegungen
der Wippe werden auf diese Weise in ein Differenzsignal übersetzt.
Insbesondere in Systemen mit asymmetrischen Wippen, die zur Messung
von Linearbeschleunigungen verwendet werden, die senkrecht zur Ebene
der Wippe in ihrer Ruheposition wirken, bewirkt die zu messende
Beschleunigung neben der durch die Asymmetrie der Massenverteilung
der Wippe in Bezug auf die Drehachse bedingten Torsinn, welche in
bekannter Weise ausgewertet werden kann, durch die endliche Biegesteifigkeit
der Torsionsfeder immer auch eine relative Verschiebung der Drehachse
in Richtung der auf das System wirkenden Beschleunigung. Diese Verschiebung
der Drehachse führt
zu einer gleichsinnigen Kapazitätsänderung
der auszuwertenden Kondensatoren, die nicht in das Differenzsignal
einfließt, wodurch
bei starken Beschleunigungen in derartigen Systemen konstruktiv
bedingte Störungen
beziehungsweise Messfehler auftreten. Diese dürfen je nach Anwendung ein
bestimmtes Maß nicht überschreiten,
um die Zuverlässigkeit
nachgeschalteter Systeme nicht zu gefährden.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen konstruktiv verbesserten
Z-Sensor anzugeben, der sich über
einen großen
Messbereich durch gegenüber
dem Stand der Technik verkleinerte Messfehler auszeichnet und ohne
großen
Zusatzaufwand herstellbar ist.
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Technische Lösung
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch einen erfindungsgemäßen Z-Beschleunigungssensor
mit den Merkmalen von Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Sensors
sind in den Unteransprüchen
2 bis 10 angegeben.
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Den
Kern der Erfindung bildet eine besondere Gestaltung der verwendeten
Torsionsfeder. Es hat sich gezeigt, dass die lineare Auslenkung
der seismischen Masse in Z-Richtung verringert werden kann, wenn
eine einzelne Torsionsfeder durch eine Mehrfachanordnung mehrerer
parallel verlaufender Torsionsfedern ersetzt wird. Die Mehrfachanordnung
aus mindestens zwei parallel verlaufenden Torsionsfedern kann dabei
so dimensioniert werden, dass sich deren Torsionsverhalten wenig
oder nicht von dem einer herkömmlichen
einzelnen Torsionsfeder unterscheidet, die Biegesteifigkeit der
Anordnung jedoch gegenüber
der Biegesteifigkeit der Einzelfeder deutlich erhöht ist.
Die Erfindung besteht also in einem mikromechanischen Z-Beschleunigungssensor
mit einer aus der Waferebene auslenkbaren seismischen Masse in Form
einer planaren Wippe, deren Auslenkung in Form einer Drehbewegung
so erfolgt, dass die Drehachse in der Ebene der Wippe liegt, wobei die
Wippe durch mindestens eine Mehrfachanordnung von parallel verlaufenden
Torsionsfedern mit einem Substrat verbunden ist, auf welches die
zu messende Beschleunigung wirkt.
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Vorteilhafte Wirkungen
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Vorteilhaft
sind weitgehend symmetrische Anordnungen, in denen lediglich die
Verteilung der Masse der Wippe bezüglich der Drehachse nicht symmetrisch
ist. So ist es vorteilhaft, wenn die Wippe durch zwei symmetrische
Mehrfachanordnungen von parallel zur Drehachse der Wippe verlaufenden
Torsionsfedern mit dem Substrat verbunden ist, auf welches die zu
messende Beschleunigung wirkt. Dadurch werden störende Verkippungen der Wippe
bei auftretenden zu messenden Beschleunigungen in Z-Richtung vermieden.
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Dieses
Konstruktionsprinzip lässt
sich bereits auf besonders einfache Weise realisieren, wenn die
Wippe durch zwei symmetrische Doppelanordnungen von parallel zur
Drehachse der Wippe verlaufenden Torsionsfedern mit dem Substrat
verbunden ist, auf welches die zu messende Beschleunigung wirkt.
Prozess technisch ist es zudem von Vorteil, wenn alle Torsionsfedern
in einer Ebene parallel zur Waferebene liegen.
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Die
Wirksamkeit erfindungsgemäßer Anordnungen
zeigt sich insbesondere dann, wenn alle Torsionsfedern einen wirksamen
Querschnitt aufweisen, dessen Höhe
mindestens das Dreifache seiner Breite beträgt. Die Wirksamkeit lässt sich
mit einer Vergrößerung dieses
Aspektverhältnisses
noch steigern. Für
Anwendungen, bei denen besonders hohe Beschleunigungen auftreten,
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn alle Torsionsfedern einen
wirksamen Querschnitt aufweisen, dessen Höhe mindestens das Fünffache
seiner Breite beträgt.
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Ein
weiteres die Empfindlichkeit erfindungsgemäßer Sensoren bestimmendes Kriterium
ist der Abstand zwischen den einzelnen Torsionsfedern. So hat es
sich als vorteilhaft erwiesen, wenn alle in einer Mehrfachanordnung
parallel verlaufenden Torsionsfedern einen Abstand aufweisen, der
maximal der Breite einer einzelnen Torsionsfeder entspricht. Zumindest
sollte die Auslegung der Mehrfachanordnungen der Torsionsfedern
jedoch so erfolgen, dass alle in einer Mehrfachanordnung parallel
verlaufenden Torsionsfedern einen Abstand aufweisen, der maximal
der Höhe
einer einzelnen Torsionsfeder entspricht.
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Zur
Realisierung der anfangs beschriebenen kapazitiven Differenzmessung
ist es erforderlich, dass beidseits der Drehachse der Wippe Teile
der Wippenfläche
in die Ausbildung der zu vermessenden Kapazitäten einbezogen werden. Um die
in Z-Richtung auftretende
Beschleunigung jedoch effektiv in eine Drehbewegung der Wippe umzusetzen und
die zwangsläufig
auftretende lineare Verschiebung möglichst gering zu halten, hat
es sich bei Verwendung der erfindungsgemäßen Mehrfachanordnungen von
Torsionsfedern als vorteilhaft erwiesen, wenn sich die Trägheitsmomente
der beidseits der Drehachse befindlichen Wippenteile bezüglich der Drehachse
mindestens um den Faktor 1,3 unterscheiden. Eine besonders geringe
Störanfälligkeit und
geringe Messfehler ergeben sich, wenn sich die Trägheitsmomente
der beidseits der Drehachse befindlichen Wippenteile bezüglich der
Drehachse mindestens um den Faktor Vier unterscheiden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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An
einem Ausführungsbeispiel
und zugehörigen
Zeichnungen wird ein erfindungsgemäßer Z-Beschleunigungssensor
näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau eines gattungsgemäßen Z-Beschleunigungssensors;
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2a,
b eine vergleichende Draufsicht auf verwendete Wippen-/Torsionsfeder-Systeme
gemäß dem Stand
der Technik und der Erfindung;
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3 eine
Illustration der charakteristischen geometrischen Größen einer
eingesetzten Torsionsfeder;
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4 eine
maßstäbliche Draufsicht
auf eine einfache Torsionsfeder im Vergleich zu einer erfindungsgemäßen Doppelfeder
bei gleicher Höhe
der Federn und gleicher Torsionssteifigkeit der beiden Anordnungen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
als Seitenansicht den prinzipiellen Aufbau eines gattungsgemäßen Z-Beschleunigungssensors
in mikromechanischer Ausführung. Eine
seismische Masse in Form einer planaren Wippe 1 ist über eine
als Torsionsfeder 2 wirkende Struktur (in der Wippenebene)
mit einem auf einem Substrat 3 (nur auszugsweise dargestellt)
aufsitzenden Steg 4 verbunden. Die Torsionsfeder 2 verbindet
als einziges Bauteil die Wippe 1 mit Substratstrukturen, welche
im Messfall der zu messenden Beschleunigung ausgesetzt sind. Eine
derartige Anordnung wird üblicherweise
mikroprozesstechnisch aus polykristallinem Silizium hergestellt.
Deutlich zu sehen ist die asymmetrische Lagerung der Wippe 1.
Dadurch kommt es bei einer beschleunigten Bewegung in Pfeilrichtung,
bei derartigen Sensoren als Z-Richtung bezeichnet,
zur Torsinn der Torsionsfeder 2, da die Wippe 1 durch
die unterschiedlichen Trägheitsmomente
der beiden Wippenseiten eine Drehbewegung ausführt. Auf dem Substrat sind
unter der Wippe Elektroden 5, 6 angeordnet, die
gemeinsam mit den gegenüberliegenden
Wippenflächen
jeweils einen Plattenkondensator bilden, dessen Kapazität vom jeweiligen
Abstand zwischen Wippe 1 und Elektrode 5, 6 abhängt. Die
Kondensatoranordnung ist bezüglich der
idealen Drehachse, das heißt
einer festen Drehachse ohne Berücksichtigung
evtl. auftretender Verschiebungen der Lagerposition, symmetrisch
ausgebildet. Somit bildet die Kapazitätsdifferenz zwischen den Kondensatoren
ein Maß für die Auslenkung
der Wippe 1 aus der Waferebene. Eine Abstandsänderung
durch eine Parallelverschiebung der Wippe 1 in Z-Richtung
fließt
dagegen nicht in das zu gewinnende Differenzsignal ein. Der durch
die eckige Klammer 7 gekennzeichnete Bereich der Wippe
stellt eine sogenannte Zusatzmasse dar, die für den Grad der Asymmetrie der
Massenverteilung der Wippe 1 bzw. der Unterschiedlichkeit
der Trägheitsmomente
der Wippenseiten bezüglich
der Drehachse verantwortlich ist.
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Die 2a und 2b zeigen
eine vergleichende Draufsicht auf verwendete Wippen-/Torsionsfeder-Systeme
gemäß dem Stand
der Technik und der Erfindung. Links ist in 2a eine
herkömmliche Anordnung
dargestellt, in welcher eine asymmetrische Wippe 1 als
seismische Masse durch ein Paar einfache Balken 2, die
als Torsionsfedern wirken, getragen wird.
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Rechts
ist in 2b eine erfindungsgemäße Anordnung
dargestellt, in der eine asymmetrische Wippe 1 als seismische
Masse durch zwei Mehrfachanordnungen, vorliegend zwei Doppelanordnungen,
von Torsionsfedern 2', 2'' getragen wird. Die Tor sionsfedern 2', 2'' jeder Doppelanordnung verlaufen parallel
zueinander und liegen in Waferebene auf gleicher Höhe nebeneinander.
Die einzelnen Torsionsfedern 2', 2'' weisen
alle die gleiche Länge
auf. Die Wippe 1 wird also durch zwei symmetrische Mehrfachanordnungen
von parallel zur Drehachse der Wippe verlaufenden Torsionsfedern 2', 2'' getragen. Dadurch werden störende Verkippungen
der Wippe 1 bei auftretenden zu messenden Beschleunigungen
in Z-Richtung weitgehend vermieden. Ein weiterer Vorteil einer derartigen
Federanordnung ist die gute Modellierbarkeit, die eine schnelle
Designänderung
bei verändertem
Anforderungsprofil der Sensorapplikation ermöglicht.
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3 zeigt
eine Illustration der charakteristischen geometrischen Größen einer
eingesetzten Torsionsfeder 2. Herstellungsbedingt finden
sich in mikromechanischen Systemen relativ steile Flanken beziehungsweise
ebene Flächen
in den einzelnen Strukturebenen. Ausgeformte Torsionsfedern sind daher
mechanisch in erster Linie als Balken zu betrachten, auch wenn das
eine Idealisierung darstellt, und werden durch Länge l, Breite b und Höhe h charakterisiert,
wobei b·h
den wirksamen Querschnitt der Torsionsfeder bilden und die Höhe h in
Z-Richtung (durch
Pfeil dargestellt), als Richtung der zu detektierenden Beschleunigung,
gemessen wird. Das rückwärtige Ende
einer derartigen Feder 2 kann als eingespannt angesehen
werden. Die Pfeile an der vorderen Stirnfläche der Torsionsfeder 2 verdeutlichen auftretende
Deformationen der Torsionsfeder 2 während einer auf die Sensoranordnung
wirkenden Beschleunigung in Z-Richtung. Es kommt zu einer linearen
Auslenkung durch Verbiegung der Feder 2 sowie zu einer
Verdrehung der Stirnfläche
durch die Torsinn der Feder 2. Messtechnisch erwünscht ist
jedoch in jedem Falle nur die Torsinn. Aus diesem Grund ist es bereits
in herkömmlichen
Systemen mit einfachen Torsionsfedern üblich, rechteckige Querschnitte
mit einer gegenüber
der Breite b deutlich größeren Höhe h einzusetzen,
um einen in Z-Richtung erhöhten
Biegewiderstand zu erzielen. Allerdings sind einer Erhöhung des
Aspektverhält nisses auf
Kosten des wirksamen Federquerschnittes aus statischen Gründen Grenzen
gesetzt, eine Querschnittserhöhung
war dagegen bisher aus Gründen der
Sensorempfindlichkeit unattraktiv, da größere Federquerschnitte bei
gleicher Höhe
h mit einer größeren Torsionssteifigkeit
verbunden sind.
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Diese
Problematik wird durch erfindungsgemäße Mehrfachanordnungen von
Torsionsfedern wirksam entschärft.
Es hat sich gezeigt, dass Mehrfachanordnungen von Torsionsfedern
nahezu ohne prozesstechnischen Mehraufwand herzustellen sind, die
bei gleichbleibender Torsionssteifigkeit einen deutlich erhöhten wirksamen
Gesamtquerschnitt und Biegewiderstand in Z-Richtung aufweisen. Es
hat sich weiterhin gezeigt, dass es möglich ist, geometrische Randbedingungen
bei der Prozessierung einzuhalten, welche diesen Effekt besonders
wirksam unterstützen,
was nachfolgend am Beispiel des Vergleiches einer Einfachfeder mit
einer erfindungsgemäßen Doppelanordnung
bei jeweils gleichbleibender Höhe
und Länge
der Torsionsfedern verdeutlicht werden soll.
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Eine
Voraussetzung für
die Realisierung erfindungsgemäßer Systeme
ist die Herstellbarkeit dicht benachbarter schmaler hoher Strukturen.
Bei einem wirksamen Federquerschnitt in Recheckform ist bei einer
gegenüber
der Höhe
h geringen Breite b in erster Näherung
anzunehmen, dass die Torsionssteifigkeit der Feder proportional
zur dritten Potenz der Breite b ist, während die Biegesteifigkeit
in Z-Richtung direkt proportional zur Breite b der Feder ist.
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Gemäß der Erfindung
werden beispielsweise zwei Torsionsfedern ausreichend dicht nebeneinander
angeordnet, um bei den in erfindungsgemäßen Sensoren auftretenden kleinen
Rotationswinkeln der Wippe ein Torsionsverhalten der Doppelfeder
zu erzielen, bei dem der Torsionswiderstand der Doppelfeder nahezu
der Summe der Torsionswiderstände
der einzelnen Torsionsfedern entspricht. Um einen Torsionswiderstand
der Doppelfeder zu erzielen, welcher der ursprünglich verwendeten Einfachfe der
entspricht, muss unter diesen Voraussetzungen die Breite die beiden
Einzelfedern der Doppelanordnung verringert werden, bis jeder Einzelfeder
die Hälfte des
angestrebten Torsionswiderstandes aufbringt. Aufgrund der bereits
vorausgesetzten kubischen Abhängigkeit
des Torsionswiderstandes von der Federbreite verrindert sich der
Torsionswiderstand bereits auf 50% des ursprünglichen Wertes, wenn die Breite der
Torsionsfeder um 21% auf 79% der ursprünglichen Breite reduziert wird.
Bei gleicher Länge
und Höhe
der Torsionsfeder verringert sich also ihr Torsionswiderstand wesentlich
schneller als der wirksame Querschnitt, was in erfindungsgemäßen Mehrfachanordnungen
ausgenutzt wird. Ist eine herkömmliche einzelne
Torsionsfeder durch eine Doppelanordnung mit gleichem Torsionswiderstand
zu ersetzen, so muss jede der enthaltenen Einzelfedern bei ansonsten
gleichen Parametern 79% der Breite der ursprünglich verwendeten Torsionsfeder
aufweisen. Die Summe der Breite der in der Doppelanordnung enthaltenen
Einzelfedern erhöht
sich also gegenüber einer
ungeteilten Torsionsfeder auf 158%. In gleichem Maße erhöht sich
die Biegesteifigkeit der Doppelanordnung gegenüber Belastungen in Z-Richtung, da sich
diese direkt proportional zur Federbreite verhält und Biegesteifigkeit der
Doppelanordnung der Summe der Biegesteifigkeiten der umfassten Einzelfedern
entspricht.
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Prinzipiell
lassen sich analoge Überlegungen auch
auf Mehrfachanordnungen von Torsionsfedern übertragen, die aus einer größeren Zahl
von Einzelfedern bestehen.
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Obwohl
die beschriebene Kalkulation eine Näherung unter Annahme fester
geometrischer Randbedingungen darstellt, hat sich gezeigt, dass der
angestrebte Effekt in einer Vielzahl verschiedener Mehrfachanordnungen
von Torsionsfedern wirksam gemacht werden kann. Grundsätzlich lassen sich
auf diese Weise schlankere Querschnitte für die einzelnen Bestandteile
einer Mehrfachanordnung von Torsionsfedern nutzen, was bei typischen
Stegbreiten von 2–3 μm und Ebenendicken
von 10–20 μm prozesstechnisch
mehr Gestaltungsspielraum bei der Herstellung der Sensorchips bedeutet.
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4 zeigt
eine maßstäbliche Draufsicht
auf eine einfache Torsionsfeder 2 im Vergleich zu einer erfindungsgemäßen Doppelfeder 2', 2'' bei gleicher Höhe der Federn und gleicher
Torsionssteifigkeit der beiden Anordnungen. Obwohl die Einzelfedern 2', 2'' in der Doppelanordnung gegenüber der
Einzelfeder 2 etwas schmaler sind, ist die Summe der Federbreiten 2b2 deutlich größer als die Federbreiter b1 der Einzelfeder 2. Im Idealfall
gilt: 2b2 = 1,59 b1.
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Deutlich
sichtbar ist auch die eng benachbarte Anordnung der einzelnen Federn 2', 2'' in der Doppelanordnung. Der Abstand
zwischen den parallelen Torsionsfedern 2', 2'' ist
deutlich kleiner als die Breite b2 der einzelnen
Torsionsfedern 2', 2'' und damit natürlich auch viel kleiner als
die Höhe
der Torsionsfedern 2', 2''. In solchen Anordnungen in guter
Näherung
die Annahme, nach die Torsionssteifigkeit der Mehrfachanordnung
der Summe der Torsionssteifigkeiten der umfassten Torsionsfedern 2', 2'' entspricht.
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Die
auf die beschriebene Weise erzielte höhere Steifigkeit erfindungsgemäß ausgestalteter
Beschleunigungssensoren gegenüber
unerwünschten Linearbewegungen
der seismischen Masse in Z-Richtung bewirkt einerseits ein symmetrischeres Torsionsverhalten
bei hohen Belastungen, andererseits tritt eine dieser Störauslenkung
innewohnende Schwingungsneigung erst bei deutlich höheren Frequenzen
auf. Dadurch wird die Messgenauigkeit erfindungsgemäßer Beschleunigungssensoren
erhöht und
der Frequenzbereich, in dem auftretende Beschleunigungen ausgewertet
werden können,
erweitert.