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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor mit einem Substrat,
wenigstens einem Steg und einer seismischen Masse, wobei der Steg
und die seismische Masse über einer Ebene des Substrats
angeordnet sind. Dabei ist die seismische Masse wenigstens an zwei
Seiten des Stegs angeordnet, und federnd an dem Steg aufgehängt. Der
Steg ist mittels wenigstens einer Verankerung an dem Substrat verankert.
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Wenn
das Substrat aus einem anderen Werkstoff besteht als der wenigstens
eine Steg, können mechanische Spannungen zwischen dem Substrat
und dem Steg bzw. der seismischen Masse aufgrund unterschiedlicher
thermischer Ausdehnungskoeffizienten auftreten. Derartige Spannungen
können aber auch entstehen, weil der Steg bzw. die seismische
Masse bereits mit inneren Spannungen hergestellt wurde. Außerdem
können mechanische Spannungen im Substrat selbst durch
den Herstellungsprozeß zum Beispiel durch Löten
oder Kleben oder Verkappen hervorgerufen werden. Da der Steg und
die seismische Masse im Vergleich zum Substrat die deutlich schwächer
ausgebildeten Elemente sind, werden diese Spannungen dadurch abgebaut,
daß sich der Steg und die seismische Masse verformen. Dadurch
wird die Anordnung der seismischen Masse relativ zum Substrat und
anderen an dem Substrat befestigten festen Elementen verändert.
Es ergibt sich beispielsweise bei kapazitiv arbeitenden Beschleunigungssensoren
infolge einer Abstandsänderung mobiler Elektroden zu festen
Elektroden ein Nullpunktfehler für die gemessene Kapazität.
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Die
Patentschrift
DE 196 39 946 zeigt
einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer oberflächen-mikromechanischen
Struktur mit zwei nahe beieinander liegenden Aufhängepunkten zwischen
denen eine bewegliche seismische Masse verläuft, die an
den beiden Aufhängepunkten mittels Aufhängefedern
aufgehängt ist.
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Die
Patentanmeldung
DE
19523895 A1 zeigt einen mikromechanischen Drehratensensor
mit einer oberflächen-mikromechanischen Struktur mit einer Zentralaufhängung
(ein zentraler Aufhängepunkt) mit einer darum herum angeordneten
seismischen Masse, die mittels Aufhängefedern an der Zentralaufhängung
aufgehängt ist.
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Die
Patentanmeldung
DE
19500800 A1 (
5 +
6) zeigt in den
5 und
6 einen mikromechanischen Sensor mit einer
Zentralaufhängung und zwei einander gegenüberliegend
daneben angeordneten seismischen Massen, die mittels Verbindungsstegen
miteinander verbunden und an der Zentralaufhängung aufgehängt
sind.
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Die
Europäische Patentanmeldung
EP 1083144 A1 zeigt eine mikromechanische
Vorrichtung mit einer Zentralaufhängung und zwei einander gegenüberliegend
daneben angeordneten seismischen Massen, die mittels Verbindungsstegen
miteinander verbunden und an der Zentralaufhängung mittels
eines Verbindungsbalkens aufgehängt sind. Die Zentralaufhängung
ist im Zentrum (an der zentralen Achse des Flächen oder
Massenschwerpunkts) der gesamten beweglichen Struktur angeordnet.
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Die
Europäische Patentanmeldung
EP 1626283 A zeigt eine mikromechanische Vorrichtung mit
einer Zentralaufhängung und zwei einander gegenüberliegend
daneben angeordneten seismischen Massen, die mittels Verbindungsstegen
miteinander verbunden und an der Zentralaufhängung mittels
eines Verbindungsbalkens aufgehängt sind. Die Zentralaufhängung
ist im Zentrum (an der zentralen Achse) der gesamten beweglichen
Struktur angeordnet. Weiterhin sind an der beweglichen Struktur
eine Mehrzahl beweglicher Elektroden und zusätzlich eine Mehrzahl
fester Elektroden offenbart. Die Mehrzahl fester Elektroden weist
dabei eine gemeinsame Aufhängung auf, welche in der Nähe der
Zentralaufhängung angeordnet ist. Die nicht vorveröffentlichte
Patentanmeldung
DE 10 2006
033 636 zeigt einen ähnlichen Gegenstand.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor
zu schaffen, der so ausgebildet ist, daß ein Nullpunktfehler
für die gemessene Kapazität vermieden wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor mit einem Substrat,
wenigstens einem Steg und einer seismischen Masse, wobei der Steg
und die seismische Masse über einer Ebene des Substrats
angeordnet sind. Dabei ist die seismische Masse wenigstens an zwei
Seiten des Stegs angeordnet, und federnd an dem Steg aufgehängt. Der
Steg ist mittels wenigstens einer Verankerung an dem Substrat verankert.
Der Kern der Erfindung besteht darin, daß die wenigstens
eine Verankerung außerhalb des Massenschwerpunktes der
seismischen Masse angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise
befindet sich die wenigstens eine Verankerungen in unmittelbarer
Nähe des Massenschwerpunkts, so daß eine Verbiegung
des Substrats und/oder der seismischen Masse die relative Ausrichtung
des Stegs und der seismischen Masse zum Substrat möglichst
wenig beeinflussen kann. Zudem können derartige Beschleunigungssensoren
platzsparend auf dem Substrat ausgebildet werden. Eine vorteilhafte
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß wenigstens zwei
Verankerungen vorgesehen sind. Vorteilhafterweise befindet sich
die wenigstens zwei Verankerungen in unmittelbarer Nähe
zueinander, so daß eine Verbiegung des Substrats die relative
Ausrichtung des Stegs zum Substrat kaum beeinflussen kann. Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Massenschwerpunkt
zwischen den zwei Verankerungen angeordnet ist. Vorteilhaft ist
auch, daß die seismische Masse ringförmig um den
Steg angeordnet ist. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht
vor, daß wenigstens zwei Stege vorgesehen sind, an denen
die seismische Masse federnd aufgehängt ist.
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Zusammenfassend
gesagt ist eine Verankerung der seismischen Masse in einem Punkt
oder in einem relativ kleinen Gebiet vorteilhaft. Dieser Punkt muß nicht
im Massenschwerpunkt der seismischen Masse liegen. Aufgrund der
Lastverteilung hat es jedoch Vorteile, wenn der Punkt in der Nähe
des Massenschwerpunktes liegt. Sind mehrere Verankerungen vorgesehen,
so ist es vorteilhaft, diese Verankerungen innerhalb eines kleinen
Gebiets, d. h. im Verhältnis zur Ausdehnung der zu verankernden
Struktur relativ dicht beieinander anzuordnen. Für die
Lastverteilung vorteilhaft ist es dabei, wenn der Massenschwerpunkt
zwischen den Verankerungen angeordnet ist. Bei einem kapazitiven
Beschleunigungssensor sind bewegliche Elektroden an der seismischen Masse
und gegenüberliegend stationäre Elektroden am
Substrat vorgesehen. Ist eine gemeinsame Verankerung der stationären
Elektroden vorgesehen, so ist es zur Erzielung eines möglichst
geringen Nullpunktfehlers vorteilhaft, diese gemeinsame Verankerung
in der Nähe der Verankerung der seismischen Masse vorzusehen.
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Zeichnung
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1 zeigt
einen Beschleunigungssensor mit zentraler Aufhängung im
Stand der Technik.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors mit zentrumsnaher Aufhängung.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors mit zentrumsnaher Aufhängung.
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4 zeigt
eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors mit zentrumsnaher Aufhängung.
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Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
einen Beschleunigungssensor im Stand der Technik wie er in der nicht
vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2006 033 636 beschrieben
ist.
1 zeigt einen Beschleunigungssensor, der zum Beispiel
hergestellt wird, indem eine Polysiliziumschicht auf einer Oxidschicht
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 in
1 gezeigten Strukturen
werden daraufhin definiert und die Oxidschicht in einem Ätzprozeß entfernt.
Die Polysiliziumschicht bleibt dabei mit dem Siliziumsubstrat verbunden.
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Der
Beschleunigungssensor umfaßt einen Mittelsteg 1,
einen rechten Steg 2 und einen linken Steg 3,
dabei verlaufen der rechte Steg 2 und der linke Steg 3 parallel
zu dem Mittelsteg 1 auf dessen rechter bzw. linker Seite.
Der Mittelsteg 1, der rechte Steg 2 und der linke
Steg 3 sind über einem Substrat, welches in der
Papierebene verläuft, angeordnet und mit dem Substrat jeweils
bei einem mittleren Verankerungsbereich 4, einem rechten
Verankerungsbereich 5 und einem linken Verankerungsbereich 6 verbunden.
Die Verankerungen 4, 5, 6 mit dem Substrat befinden
sich unter den Stegen 1, 2, 3 und sind
aus dieser Perspektive eigentlich nicht sichtbar und daher gestrichelt
dargestellt. Jede der Verankerungen 4, 5, 6 ist
zentral gelegen, d. h. die Verankerungen 4, 5, 6 liegen
möglichst dicht oder sogar genau unter den Schwerpunkten
der jeweiligen Stege 1, 2, 3, so daß die
auf die Verankerungen 4, 5, 6 einwirkenden Kräfte
aufgrund einer Beschleunigung senkrecht zu dem Substrat minimiert
sind. Zudem ist dann die Vorsehung genau eines Verankerungsbereichs
zur Verankerung eines jeden Stegs 1, 2, 3 auf
dem Substrat ausreichend. Die Stege 1, 2, 3 müssen
sich daher nicht verformen, um mechanische Spannungen relativ zu
dem Substrat auszugleichen. Die Verankerungen 4, 5, 6 sind
außerdem möglichst dicht beieinander gelegen.
Sie liegen daher auf einer Linie, die den Mittelsteg 1,
den rechten Steg 2 und den linken Steg 3 quer
schneidet.
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Auf
der rechten Seite des rechten Stegs 2, die von dem Mittelsteg 1 abgewandt
ist, sind Zinken 7 einer rechten Stegelektrode ausgebildet.
Die Zinken 7 der rechten Stegelektrode greifen in die Zinken 8 einer
rechten seismischen Elektrode ein. Auf der linken Seite des linken
Stegs 3, die von dem Mittelsteg 1 abgewandt ist,
sind Zinken 7 einer linken Stegelektrode ausgebildet. Die
Zinken 7 der linken Stegelektrode greifen in die Zinken 8 einer
linken seismischen Elektrode ein. Die Zinken 8 der linken
seismischen Elektrode und der rechten seismischen Elektrode sind
an einem geschlossenen Rahmen 9 angebracht. Der Rahmen 9 und
die Zinken 8 der seismischen Elektroden sind perforiert,
d. h. weisen ein regelmäßige Anordnung durchgehender
Löcher auf. Die Perforation ermöglicht es einem Ätzmedium, während
dem Ätzprozeß zu einer darunterliegenden Schicht
zu dringen, so daß der Rahmen 9 und die Zinken 8 sich
sicher vom Substrat trennen lassen. Aus dem gleichen Grund können
auch die Zinken 7 und die Stege 1, 2, 3 perforiert
sein.
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Der
Rahmen 9 ist an Federn 10 an gegenüberliegenden
Enden des Mittelstegs 1 aufgehängt. Jede Feder 10 besteht
aus mehreren länglichen dünnen Stäben,
die parallel zueinander angeordnet sind. Zwei aneinandergrenzende
Stäbe sind beabstandet entweder an ihren Enden oder in
ihrem Zentrum miteinander verbunden. Die Federn 10 lassen
sich daher senkrecht zu den parallel angeordneten Stäben leicht
verformen, aber nicht parallel dazu. Die Federn 10 sind
außerdem so angeordnet, daß der Rahmen vor allem
entlang der drei parallelen Stege 1, 2, 3 verschiebbar
ist. An den beiden Enden des Stegs 1 ist jeweils eine Querstrebe 11 ausgebildet,
die die feinen Zinken 7, 8 der seismischen Elektroden
vor einer Einwirkung durch die verformten Federn 10 schützt.
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Das
Paar aus der linken Stegelektrode und der linken seismischen Elektrode
und das Paar aus der rechten Stegelektrode und der rechten seismischen
Elektrode bilden zusammen einen Differenzkondensator. Bei der Auswertung
wird eine linksseitige Kapazität zwischen der linken Stegelektrode
und der linken seismischen Elektrode von einer rechtsseitigen Kapazität
zwischen der rechten Stegelektrode und der rechten seismischen Elektrode
abgezogen. Ohne eine Beschleunigung ist diese Differenz null, weil
der Abstand von benachbarten Zinkenpaaren 7, 8 auf
beiden Seiten des Mittelstegs 1 gleich ist. Wenn sich aufgrund
einer Beschleunigung jeweils eine Zinke 7 der linken Stegelektrode
von einer benachbarten Zinke 8 der linken seismischen Elektrode
entfernt, nährt sich jeweils gleichzeitig eine Zinke 7 der
rechten Stegelektrode einer benachbarten Zinke 8 der rechten
seismischen Elektrode an. Dadurch nimmt die linksseitige Kapazität
ab, und die rechtsseitige Kapazität nimmt zu. Deren Differenz
ist besonders sensitiv für eine Beschleunigung.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors mit zentrumsnaher Aufhängung. Im
Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist der
mittlere Steg 1 mittels zweier Verankerungen 41 und 42 an
dem darunterliegenden Substrat verankert. Der Massenschwerpunkt 10 (auch
oft bezeichnet als der Flächenschwerpunkt oder auch die
zentrale Achse) der seismischen Masse 9, bzw. dessen Projektion
in Draufsicht, verläuft dabei durch den Steg 1.
Die zwei Verankerungen 41 und 42 sind nicht am
Massenschwerpunkt 10 angeordnet, sondern in geringem Abstand
daneben. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich der
Massenschwerpunkt 10 zwischen den Verankerungen 41 und 42.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel ist denkbar, bei dem im Unterschied
zur 2 nur eine der Verankerungen 41 oder 42 vorgesehen
ist, um den Steg 1 an dem Substrat zu verankern. Die eine
Verankerung 41 oder 42 ist dabei ebenfalls neben
dem Massenschwerpunkt 10 angeordnet. Der Massenschwerpunkt 10 verläuft
also nicht durch die Verankerung 41 oder 42 des
Stegs 1.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors mit zentrumsnaher Aufhängung. Im
Unterschied zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nach 2 ist
der mittlere Steg 1 in zwei Teile geteilt, derart, daß zwei
Stege 12 und 13 vorgesehen sind, welche mit je einer
Verankerung 41 und 42 an dem Substrat verankert
sind. Der Massenschwerpunkt 10 der seismischen Masse 9 verläuft
dabei durch keinen der Stege 12, 13. Die Verankerungen 41 und 42 sind
nicht am Massenschwerpunkt 10 angeordnet, sondern in geringem
Abstand daneben. In diesem Ausführungsbeispiel befindet
sich der Massenschwerpunkt 10 ebenfalls zwischen den Verankerungen 41 und 42.
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4 zeigt
eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors mit zentrumsnaher Aufhängung. Im
Unterschied zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nach 2 ist
vorgesehen, daß die Stege 2 und 3 der
linken und rechten Stegelektrode ebenfalls mit mehreren Verankerungen 51 und 52 bzw. 61 und 62 an
dem Substrat verankert sind.
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In
einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die linke und rechte Stegelektrode nicht jeweils einen
gemeinsamen Steg 2, 3 aufweisen, sondern daß die
Zinken 7 einzeln oder in kleinen Gruppen auf dem Substrat
verankert sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19639946 [0003]
- - DE 19523895 A1 [0004]
- - DE 19500800 A1 [0005]
- - EP 1083144 A1 [0006]
- - EP 1626283 A [0007]
- - DE 102006033636 [0007, 0016]