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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein solcher Beschleunigungssensor umfaßt eine seismische Masse, die an Federn über einem Substrat aufgehängt ist und senkrecht zu einer Oberfläche des Substrats auslenkbar ist.
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Die Auslenkung der seismischen Masse aufgrund einer Beschleunigung senkrecht zu dem Substrat wird mit einer Elektrode erfaßt, die unter der seismischen Masse auf dem Substrat vorgesehen ist. Die seismische Masse kann aufgrund von Störbeschleunigungen nicht nur senkrecht zu der Oberfläche des Substrats ausgelenkt werden, sondern auch entlang der Oberfläche des Substrats. Aufgrund von Ungenauigkeiten bei der Herstellung der Federn kann dabei eine Störbeschleunigung entlang der Oberfläche des Substrats auch zu einer Auslenkung senkrecht zu der Substratoberfläche führen, wodurch die Messung der Beschleunigung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats verfälscht wird. Insbesondere durch Vibrationen kann die seismische Masse des Beschleunigungssensors mit einer Eigenfrequenz zu Schwingungen entlang der Oberfläche des Substrats angeregt werden, die dann die Messung der Beschleunigung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats verfälschen. Die Eigenfrequenz der Schwingungen entlang der Oberfläche des Substrats hängt dabei von der Steifigkeit der Federn entlang der Oberfläche des Substrats ab.
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Die Federn bestehen jeweils aus einem länglichen biegbaren Element. Die Steifigkeit der Federn entlang der Oberfläche des Substrats kann erhöht werden, indem der Querschnitt der biegbaren Elemente vergrößert wird. Dadurch erhöht sich jedoch gleichzeitig die Steifigkeit der Federn senkrecht zu der Oberfläche des Substrats. Die Sensitivität des Beschleunigungssensor für Auslenkungen in z-Richtung nimmt dementsprechend ab.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sensitiven Beschleunigungssensor zu schaffen, der eingerichtet ist, Beschleunigungen in einer Richtung zu messen und dessen Messungen kaum durch Störbeschleunigungen senkrecht zu der Richtung verfälscht werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfassen die Federn jeweils zwei Biegebalken, die über Stege miteinander verbunden sind.
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Vorteilhafterweise weist eine derartige Feder eine hohe Steifigkeit in einer Richtung entlang der Oberfläche des Substrats auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform hat jeder der zwei Biegebalken eine konstante Breite.
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In einer Weiterbildung der bevorzugten Ausführungsform haben die Stege eine konstante Länge, so daß die zwei Biegebalken parallel zueinander verlaufen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Stege gleichmäßig beabstandet zwischen den Biegebalken angeordnet.
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Vorteilhafterweise kann die Steifigkeit der Federn dadurch in einer Richtung entlang der Oberfläche des Substrats bei einer relativ geringen Steifigkeit entlang einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats maximiert werden.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Federn einstückig mit der seismischen Masse ausgebildet.
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Vorteilhafterweise kann die seismische Masse durch Halbleiterherstellungsverfahren aus Polysilizium hergestellt werden.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Federn jeweils eine Krümmung auf.
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Vorteilhafterweise können Federn mit ausreichend geringer Steifigkeit in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Substrats ausgebildet werden, ohne die Abmessungen des Beschleunigungssensors wesentlich zu erhöhen.
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In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Federn jeweils über zwei Vorsprünge mit der seismischen Masse verbunden.
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Vorteilhafterweise können dadurch die auf die Federn einwirkenden maximalen Kräfte bei der Anbindung an die seismische Masse verringert werden.
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Figurenliste
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Im folgenden wird die Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Ansicht eines Beschleunigungssensors mit nicht gekrümmten Federn;
- 2 eine Ansicht eines Beschleunigungssensors mit einfach gekrümmten Federn;
- 3 einen Ausschnitt einer der einfach gekrümmten Federn aus 2;
- 4 ein Diagramm der Steifigkeiten einer der einfach gekrümmten Federn aus 2 als Funktion einer Steglänge;
- 5 eine Ansicht eines Beschleunigungssensors mit dreifach gekrümmten Federn; und
- 6 eine Ansicht eines Beschleunigungssensors mit fünffach gekrümmten Federn.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Ansicht eines Beschleunigungssensors mit einfach gekrümmten Federn 2.
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Der Beschleunigungssensor besteht aus einer Struktur mit einer konstanten Dicke, die über einem Substrat, welches in der Papierebene verläuft, angeordnet ist. Die Struktur wird beispielsweise erzeugt, indem eine Polysiliziumschicht auf einer Oxidschicht mit konstanter Dicke abgeschieden wird, die wiederum auf einem Siliziumsubstrat vorgesehen ist. In der Oxidschicht sind Aussparungen ausgebildet, so daß in diesen Aussparungen Verbindungen von der Polysiliziumschicht zu dem Siliziumsubstrat entstehen. Die Struktur wird in der Polysiliziumschicht durch Ätzen definiert und die Oxidschicht in einem Ätzprozeß entfernt. Die Polysiliziumschicht bleibt dabei mit dem Siliziumsubstrat verbunden.
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Die Struktur umfaßt eine quadratische seismische Masse 1 und vier gleichartige Federn 2, von denen jede auf einer Seite der seismischen Masse 1 über jeweils zwei Vorsprünge 3 an einem Ende mit der seismischen Masse 1 verbunden ist. Statt einer quadratischen Form können auch anderer Formen für die seismische Masse verwendet werden. Die Federn 2 sind an ihren anderen Enden 4 mit dem darunterliegenden Substrat verbunden. Die Federn 2 sind parallel zu den Seiten der seismischen Masse 1 angeordnet, um so den Beschleunigungssensor möglichst kompakt zu gestalten. In der seismischen Masse 1 sind quadratische Löcher 5 ausgebildet, so daß ein Ätzmedium während der Herstellung leicht zu der Oxidschicht dringen kann und die seismische Masse 1 vollständig von dem darunterliegenden Substrat gelöst wird. Jede Feder 2 weist zwei parallele Biegebalken 6 auf, die über Stege 7 miteinander verbunden sind und im gleichen Abstand über dem Substrat verlaufen. Die beiden Vorsprünge 3 sind ebenfalls als zwei parallele Biegebalken 8 ausgebildet, die durch Stege 9 miteinander verbunden sind. Die Anzahl der Federn ist beliebig. Es müssen aber auf jeden Fall drei Federn vorgesehen sein, um Schwingungen entlang der Substratoberfläche zu unterdrücken. Es können für jede Feder auch mehr als zwei Biegebalken verwendet werden, die miteinander über Stege verbunden sind.
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Wenn die seismische Masse 1 aufgrund einer Beschleunigung in einer z-Richtung senkrecht zu dem Substrat ausgelenkt wird, verbiegen sich die zwei parallelen Biegebalken 6 einer jeden Feder 2. Mit den Biegebalken 6 verbiegen sich auch die Vorsprünge 3. Durch Anbindung der Feder 2 an der seismischen Masse 1 über zwei Vorsprünge 3, die selbst biegbar sind, kann die maximal auftretende Kraft an der Anbindung der elastischen Feder 2 zu der starren seismischen Masse 1 verringert werden, so daß ein Bruch der Feder 2 verhindert werden kann. Unter der seismischen Masse 1 ist eine Elektrode (nicht gezeigt) ausgebildet, die eine Auslenkung der seismischen Masse 1 erfaßt, indem sie die Änderung der Kapazität gegenüber der seismischen Masse 1 mißt. Dabei verfälschen Schwingungen der seismischen Masse 1 in der xy-Ebene diese Messungen und sollen daher unterdrückt werden. Diese Schwingungen werden zunächst dadurch unterdrückt, daß auf allen vier Seiten der quadratischen seismischen Masse 1 Federn 2 vorgesehen sind. Die Amplitude dieser Schwingungen und die Eigenfrequenzen des Feder-Masse-Systems aus der seismischen Masse 1 und den Federn 2 hängen aber weiter von der Steifigkeit der Federn 2 in x- bzw. y-Richtung ab.
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In den weiteren Figuren werden für gleichartige Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in 1 bzw. lediglich andersartige Elemente mit Bezugszeichen bezeichnet.
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2 zeigt eine Ansicht eines Beschleunigungssensors mit einfach gekrümmten Federn 10. Die vier gleichartigen Federn 10 weisen eine Krümmung 11 auf, die als rechter Winkel der beiden Biegebalken 12 und 13 ausgebildet ist. Eine Ausbildung der Krümmung als rechter Winkel ist für eine quadratische seismische Masse 1 besonders platzsparend.
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3 zeigt einen Ausschnitt der einfach gekrümmten Feder 11 aus 2. Der Parameter b bezeichnet die Breite eines Biegebalkens, der Parameter 1 bezeichnet die Steglänge, der Parameter a bezeichnet die Stegbreite, und der Parameter s bezeichnet den Abstand zwischen zwei Stegen. In 2 sind sämtliche Parameter s, a, b und 1 konstant, insbesondere die Parameter s und a können aber auch variieren. Die beiden Biegebalken können auch unterschiedlich breit sein und ihre Breite kann variieren, so daß 1 ebenfalls variieren kann.
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4 zeigt ein Diagramm der relativen Steifigkeiten einer der einfach gekrümmten Federn entlang der Substratoberfläche in y-Richtung (ky/ky0) und senkrecht zu der Substratoberfläche in z-Richtung (kz/kz0) als Funktion der Steglänge 1, welches durch die Finite-Elemente-Methode numerisch berechnet wurde, wobei die weiteren Parameter s, a und b konstant sind. Dabei bezeichnen ky die Federkonstante in y-Richtung für eine beliebige Steglänge, ky0 die Federkonstante in y-Richtung für 1=0, kz die Federkonstante in z-Richtung für eine beliebige Steglänge, und kz0 die Federkonstante in z-Richtung für 1=0. Die Steifigkeit entlang der Substratoberfläche nimmt mit zunehmender Steglänge zu, während die Steifigkeit in z-Richtung von der Steglänge unabhängig ist. Dabei ist die Feder für 1=0 als längliches biegbares Element ausgebildet, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Durch die Verwendung einer geeigneten Steglänge 1, läßt sich die Steifigkeit der Feder 10 entlang der Substratoberfläche beliebig erhöhen, so daß die Amplitude der Schwingungen der seismischen Masse 1 unter einen erwünschten Schwellwert verringert werden können und die Eigenfrequenzen der seismischen Masse 1 soweit erhöht werden können, daß sie praktisch nicht angeregt werden können.
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5 und 6 zeigen eine Ansicht eines Beschleunigungssensors mit dreifach gekrümmten Federn 14 (U-Federn) bzw. eine Ansicht eines Beschleunigungssensors mit fünffach gekrümmten Federn 15 (S-Federn). Die Anzahl der Krümmungen ist beliebig.
