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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensorelement gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche
mikromechanischen Sensorelemente sind allgemein bekannt. Beispielsweise
ist aus der Druckschrift
DE
100 00 368 A1 ein Beschleunigungssensor mit einem Substrat,
welches eine Verankerungseinrichtung aufweist, und einer Schwungmasse,
welche über eine Biegefedereinrichtung mit der Verankerungseinrichtung
verbunden ist, so dass die Schwungmasse elastische aus ihrer Ruhelage
auslenkbar ist, bekannt. Die Schwungmasse ist ferner als Wippenstruktur über
darunterliegenden Elektrodenbereichen zur Detektion einer Beschleunigung
in z-Richtung ausgebildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Sensorelement,
das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung
eines mikromechanischen Sensorelements und das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Sensorelements gemäß den
nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem
Stand der Technik den Vorteil, dass einerseits die Detektion einer
Beschleunigung senkrecht zur Haupterstreckungsebene von möglichen Substratverwölbungen
entkoppelt ist und andererseits die Detektionsempfindlichkeit des
mikromechanischen Sensorelements bei gleicher Detektionsfläche
parallel zur Haupterstreckungsebene in erheblicher Weise erhöht
wird. Alternativ ermöglicht das erfindungsgemäße
Sensorelement eine Verringerung bzw. Halbierung der Detektionsfläche
bei im Wesentlichen gleicher Detektionsempfindlichkeit. Die aufgeführten
Vorteile werden dadurch erreicht, dass bei einer Beschleunigung
des mikromechanischen Sensorelements senkrecht zur Haupterstreckungsebene nicht nur
eine erste Auslenkung der ersten seismischen Masse aus der ersten
Ruhelage, sondern gleichzeitig auch eine zweite Auslenkung der zweiten seismischen
Masse aus der zweiten Ruhelage erzeugt wird, wobei insbesondere
ein erstes Trägheitsmoment der ersten seismischen Masse
zu einem zweiten Trägheitsmoment der zweiten seismischen Masse
unterschiedlich ist, so dass vorzugsweise die erste und die zweite
Auslenkung gegenphasig erfolgt. Somit wird der Abstand zwischen
der ersten und der zweiten seismischen Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene
sowohl durch die erste Auslenkung, als auch durch die zweite Auslenkung deutlich
stärker verändert, so dass die Detektionsempfindlichkeit
gegenüber einer Abstandsänderung, welche wie im
Stand der Technik beschrieben lediglich von einer Seite aus erfolgt
(Bewegung lediglich der Schwungmasse gegenüber dem feststehendem Substrat),
deutlich erhöht wird und aufgrund der zumindest teilweisen Überlappung
der ersten und zweiten seismischen Masse die Detektionsfläche
parallel zur Haupterstreckungsebene nicht oder nur unwesentlich
vergrößert wird. Durch eine Vermessung der Abstandsänderung
direkt zwischen der ersten und der zweiten seismischen Masse, im
Gegensatz zur im Stand der Technik beschriebenen Vermessung der
Abstandsänderung zwischen der Schwungmasse und dem Substrat,
ist die Vermessung der Beschleunigung unabhängig von herstellungsbedingten Substratverwölbungen
senkrecht zur Haupterstreckungsebene, welche die Genauigkeit der
Messung reduzieren. Das Substrat, die erste seismische Masse und/oder
die zweite seismische Masse umfassen vorzugsweise ein Halbleitermaterial
und besonders bevorzugt Silizium.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen,
sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste seismische
Masse mittels einer ersten Koppeleinrichtung im Wesentlichen drehbeweglich
um eine erste Rotationsachse und die zweite seismische Masse mittels
einer zweiten Koppeleinrichtung im Wesentlichen drehbeweglich um eine
zweite Rotationsachse mittelbar oder unmittelbar an dem Substrat
befestigt ist, wobei die erste und die zweite Rotationsachse zueinander
parallel angeordnet sind und/oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene
im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet sind.
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Besonders
vorteilhaft erzeugt somit die Beschleunigung eine erste Verkippung
bzw. erste Rotationsbewegung der ersten seismischen Masse relativ zum
Substrat und relativ zur zweiten seismischen Masse um die erste
Rotationsachse und eine zweite Verkippung bzw. zweite Rotationsbewegung
der zweiten seismischen Masse relativ zum Substrat und relativ zur
ersten seismischen Masse um die zweite Rotationsachse.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
die erste seismische Masse eine erste Massensymmetrieachse und die
zweite seismische Masse eine zweite Massensymmetrieachse aufweist,
wobei bevorzugt die erste und die zweite Massensymmetrieachse im
Wesentlichen parallel zur ersten und zweite Rotationsachse ausgerichtet
sind und wobei besonders bevorzugt die erste Massensymmetrieachse
parallel zur Haupterstreckungsebene von der zweiten Massensymmetrieachse
beabstandet angeordnet ist. Eine Massensymmetrieachse im Sinne der
vorliegenden Erfindung umfasst insbesondere eine Achse, welche die
parallel zur Rotationsachse miteinander fluchtenden Massenschwerpunkte
einer seismischen Masse bezüglich der entsprechenden Rotationsachse
der seismischen Masse miteinander verbindet. Mit anderen Worten
umfasst die Massensymmetrieachse einer seismischen Masse insbesondere
eine Massenschwerpunktsachse parallel zur entsprechenden Rotationsachse.
Besonders vorteilhaft sind die erste und die zweite Massensymmetrieachse
parallel zur Haupterstreckungsebene voneinander beabstandet, so
dass das erste und das zweite Trägheitsmoment bezüglich
der Beschleunigung unterschiedlich ist und somit die durch die Beschleunigung
hervorgerufene erste und zweite Auslenkung ebenfalls unterschiedlich
sind. Insbesondere ist die erste Massensymmetrieachse auf einer
ersten Seite der ersten und zweiten Rotationsachse parallel zur
Haupterstreckungsebene und die zweite Massensymmetrieachse parallel zur
Haupterstreckungsebene auf eine der ersten Seite entgegengesetzten
zweiten Seite der ersten und zweiten Rotationsachse angeordnet,
so dass die Beschleunigung eine gegenphasige erste und zweite Auslenkung
erzeugt. Gegenphasige erste und zweite Auslenkung im Sinne der vorliegenden
Erfindung bedeutet vorzugsweise, dass die erste Auslenkung eine erste
Rotationsbewegung der ersten seismischen Masse um die erste Rotationsachse
umfasst, welche einer zweiten Rotationsbewegung der zweiten seismischen
Masse um die zweite Rotationsachse bei der zweiten Auslenkung entgegengesetzt
ist. In vorteilhafter Weise wird somit der Abstand zwischen der ersten
und der zweiten seismischen Masse bei der Beschleunigung sowohl
durch die erste Auslenkung, als auch durch die zweite Auslenkung
gleichzeitig verändert, so dass die Änderungsrate
der Abstandsänderung und somit die Detektionsempfindlichkeit deutlich
erhöht wird.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
das erste und das zweite Koppelelement senkrecht zur Haupterstreckungsebene
deckungsgleich angeordnet sind und bevorzugt reversibel elastische
Federelemente und besonders bevorzugt Torsinns- und/oder Biegefederelemente
umfassen, so dass in vorteilhafter Weise die erste und die zweite
Auslenkung der ersten und der zweiten Auslenkung gegenüber
dem Substrat ermöglicht wird.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
das erste Koppelelement unmittelbar an dem Substrat und/oder das
zweite Koppelelement unmittelbar an dem ersten Koppelelement, dem
Substrat und/oder an der ersten seismischen Masse befestigt ist.
Besonders vorteilhaft ist die zweite seismische Masse über
das zweite Koppelelement an der ersten seismischen Masse befestigt,
so dass die zweite seismische Masse lediglich mittelbar am Substrat
befestigt ist und eine unmittelbare Anbindung des zweiten Koppelelements
an das Substrat einsparbar ist, wobei insbesondere die erste und
die zweite seismische Masse und das erste und das zweite Koppelement als
eine gemeinsame Struktur im Substrat besonders kostengünstig
gemeinsam herstellbar sind.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
die erste seismische Masse eine erste und insbesondere eine weitere
erste Elektrode und die zweite seismische Masse eine zweite und
insbesondere eine weitere zweite Elektrode aufweist, wobei senkrecht
zur Haupterstreckungsebene eine Überlappung der ersten
Elektrode mit der zweiten Elektrode und insbesondere eine Überlappung
der weiteren ersten Elektrode mit der weiteren zweiten Elektrode
vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft ist die Vermessung des Abstands
zwischen der ersten seismischen Masse und der zweiten seismischen
Masse mittels der ersten und der zweiten Elektrode und/oder der
weiteren ersten und der weiteren zweiten Elektrode in besonders
einfacher Weise möglich, wobei vorzugsweise eine erste elektrische
Kapazität zwischen der ersten und zweiten Elektrode und/oder
eine zweite elektrische Kapazität zwischen der weiteren
ersten und der weiteren zweiten Elektrode mittels einer Kapazitäts-Erfassungseinrichtung
gemessen wird.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
zwischen der ersten und der weiteren ersten Elektrode die erste Massensymmetrieachse
und/oder die erste Rotationsachse und zwischen der zweiten und der
weiteren zweiten Elektrode die zweite Massensymmetrieachse und/oder
Rotationsachse verlaufend vorgesehen ist. Besonders vorteilhaft
wird somit eine Abstandsänderung zwischen der ersten und
der zweiten seismischen Masse aufgrund der ersten und der zweiten Auslenkung
sowohl auf der ersten, als auch auf der zweiten Seite der ersten
und zweite Rotationsachse parallel zur Haupterstreckungsebene gemessen,
so dass beispielsweise eine Abstandsvergrößerung
auf der ersten Seite und eine Abstandsverkleinerung auf der zweiten
Seite aufgrund der gegenphasigen ersten und zweiten Auslenkung mittels
einer entsprechenden Verkleinerung der ersten Kapazität
und einer entsprechenden Vergrößerung der zweiten
Kapazität vergleichsweise präzise detektierbar
ist.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
die Masse der ersten seismischen Masse und die Masse der zweiten
seismischen Masse unterschiedlich sind, so dass insbesondere ein
unterschiedliches erstes und zweites Trägheitsmoment nicht
nur durch eine asymmetrische Aufhängung der ersten und
der zweiten seismischen Masse, sondern vorteilhaft auch durch eine
Massenasymmetrie zwischen der Masse der ersten seismischen Masse
und der Masse der zweiten seismischen Masse erzeugbar ist.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
die erste seismische Masse und die zweite seismische Masse in ein
Gehäuse integriert sind, wobei das Gehäuse insbesondere
einen Deckel aufweist. Besonders vorteilhaft sind somit die erste
seismische Masse, die zweite seismische Masse und/oder die Elektroden
vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt.
Besonders vorteilhaft wird in dem Gehäuse ein wohldefinierter
Innendruck, insbesondere mittels eines entsprechenden Innenmediums,
eingestellt, um ein gewünschtes Auslenkungsverhalten der
ersten und der zweiten seismischen Masse zu erhalten.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung eines mikromechanischen Sensorelements, wobei in
einem ersten Herstellungsschritt das Substrat zusammen mit der ersten
seismische Masse bereitgestellt wird, wobei in einem zweiten Herstellungsschritt
die zweite seismische Masse aufgehängt an einem weiteren Substrat
bereitgestellt wird und in einem nachfolgenden dritten Herstellungsschritt
das weitere Substrat auf dem Substrat derart angeordnet wird, dass
eine zumindest teilweise Überlappung der ersten seismischen
Masse mit der zweiten seismischen Masse senkrecht zur Haupterstreckungsebene
erzeugt wird. Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße
Sensorelement somit in nur drei vergleichsweise kostengünstig durchführbaren
Herstellungsschritten in vergleichsweise einfacher Weise herstellbar.
Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der erste und der zweite
Herstellungsschritt wohlbekannte Standardherstellungsschritte für
die Herstellung zweier Standardsensorelemente gemäß dem
Stand der Technik umfassen.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Betrieb eines mikromechanischen Sensorelements, wobei die Beschleunigung
des mikromechanischen Sensorelement durch ein Vermessen einer Änderung
einer ersten elektrischen Kapazität zwischen der ersten
und der zweiten Elektrode und/oder einer zweiten elektrischen Kapazität
zwischen der weiteren ersten und der weiteren zweiten Elektrode
bestimmt wird. Besonders vorteilhaft ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Sensorelements im
Gegensatz zum Stand der Technik eine höhere Detektionsempfindlichkeit
bei gleicher Detektionsfläche, da sowohl die erste bzw.
die weitere erste Elektrode, als auch die zweite bzw. die weitere
zweite Elektrode eine Auslenkungsbewegung in Folge der Beschleunigung
durchführen und somit die Änderung der ersten
Kapazität bzw. die Änderung der zweiten Kapazität
erhöht wird. Ferner wird der Nachteil einer Reduktion der
Messpräzision durch Subtratverwölbungen ausgeräumt.
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Gemäß einer
weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass
die Änderung der ersten elektrischen Kapazität
in ein erstes Spannungssignal und die Änderung der zweiten
elektrischen Kapazität in ein zweites Spannungssignal umgewandelt
werden und dass die Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten
Spannungssignal in ein Differenzsignal umgewandelt wird. Besonders
vorteilhaft wird somit ein von der Beschleunigung des mikromechanischen
Sensorelements abhängigen Differenzsignal von dem mikromechanischen
Sensorelement ausgegeben, welches vorzugsweise einer elektrischen
bzw. elektronischen Auswerteschaltung zugeführt wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Sensorelements
gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine
schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Sensorelements
gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und
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3 eine
schematische Ansicht des Verfahrens zum Betrieb eines mikromechanischen
Sensorelements gemäß der beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung
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In 1 ist
eine schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Sensorelements 1 gemäß dem
Stand der Technik dargestellt, wobei das mikromechanische Sensorelement 1 ein
Substrat 2 in Form eines Gehäuses 2' mit
einem Deckel 2'' und einer ersten seismischen Masse 10 aufweist,
wobei die seismische Masse 10 mittels einer ersten Koppeleinrichtung 11 asymmetrisch
am Substrat 10 derart aufgehängt ist, dass bei
einer Beschleunigung 101 des mikromechanischen Sensorelements 1 senkrecht
zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 2 die
erste seismische Masse 10 ein erstes Trägheitsmoment
erfährt und folglich eine erste Auslenkung in Form einer
ersten Rotationsbewegung 104 um eine parallel zur Haupterstreckungsebene 100 ausgerichtete
erste Rotationsachse 12 durchführt. Die seismische
Masse 10 weist eine erste Massensymmetrieachse 13 auf,
welche parallel zur erste Rotationsachse 12 angeordnet
ist und welche parallel zur ersten Rotationsachse 12 miteinander
fluchtende Massenschwerpunkt bezüglich der Massenverteilung
der ersten seismischen Masse 10 senkrecht zur ersten Rotationsachse 12 und
parallel zur Haupterstreckungsebene 100 verbindet. Die
erste Massensymmetrieachse 13 ist parallel zur Haupterstreckungsebene 100 von
der Rotationsachse 13 beabstandet, so dass die Beschleunigung 101 das
erste Trägheitsmoment und somit die erste Rotationsbewegung 104 erzeugt.
Die erste Rotationsbewegung 104 wird durch die Vermessung
einer ersten elektrische Kapazität 3 zwischen
der seismischen Masse 10 und dem Substrat 2 auf
einer ersten Seite 102 der seismischen Masse 10 und
einer zweiten elektrische Kapazität 3' zwischen
der seismischen Masse 10 und dem Substrat 2 auf
einer zweiten Seite 103 der seismischen Masse 10 mittels
einer nicht abgebildeten Kapazitäts-Erfassungseinrichtung
gemessen.
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In 2 ist
eine schematische Seitenansicht eines mikromechanischen Sensorelements 1 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wobei das mikromechanische Sensorelement 1 gemäß der
beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dem mikromechanischen Sensorelement gemäß dem
Stand der Technik illustriert in 1 ähnelt,
wobei das mikromechanische Sensorelement 1 eine zweite
seismische Masse 20 aufweist, welche im Wesentlichen parallel
zur ersten seismischen Masse 10 zwischen der ersten seismischen
Masse 10 und dem Substrat 2 angeordnet ist und
mittels einer zweiten Koppeleinrichtung 21 asymmetrisch
und beweglich am Substrat 2 aufgehängt bzw. befestigt
ist. Die erste seismische Masse 10 ist mittels der ersten
Koppeleinrichtung 11 an der zweiten seismischen Masse 20 aufgehängt
bzw. befestigt und mit dem Substrat 2 nur noch mittelbar über
die zweite seismische Masse 20 und die zweite Koppeleinrichtung 21 verbunden.
Die zweite seismische Masse 20 ist derart asymmetrisch aufgehängt,
dass die Beschleunigung 101 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 eine
zweite Auslenkung in Form einer zweiten Rotationsbewegung 105 der
zweiten seismischen Masse 20 um eine zweite Rotationsachse 22 aufgrund
eines zweiten Trägheitsmomentes bewirkt, wobei die zweite
Rotationsachse 22 parallel zur ersten Rotationsachse 12 ausgerichtet
ist und insbesondere senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 deckungsgleich
mit dieser angeordnet ist. Die zweite seismische Masse 20 weist
eine zweite Massensymmetrieachse 23 auf, welche von der
zweiten Rotationsachse 22 und von der ersten Massensymmetrieachse 13 parallel
zur Haupterstreckungsebene 100 beabstandet ist. Insbesondere
ist die erste Massensymmetrieachse 13 auf einer ersten
Seite 102 bezüglich der ersten und der zweiten
Rotationsachse 12, 22 und die zweite Massensymmetrieachse 23 auf
einer der ersten Seite 102 parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und
bezüglich der ersten und zweiten Rotationsachse 12, 22 gegenüberliegenden
zweiten Seite 103 angeordnet, so dass die Beschleunigung 101 eine
gegenläufige erste und zweite Rotationsbewegung 104, 105 erzeugt.
Dies wird durch die asymmetrische Aufhängung und/oder durch
eine asymmetrische Massenverteilung der jeweiligen seismischen Masse 10, 20 bezüglich
der entsprechenden Rotationsachse 12, 22 bewirkt,
wobei die asymmetrische Aufhängung bzw. Massenverteilung
vorzugsweise durch eine variabel wählbare Erstreckung der
jeweiligen seismischen Masse 10, 20 parallel zur
Haupterstreckungsebene 100 erzeugt wird. Die erste und
zweite Rotationsbewegung 104, 105 führt
zu einer gegenphasigen Abstandsänderung zwischen der ersten
und der zweiten seismische Masse 10, 20 auf der
ersten und der zweiten Seite 102, 103. Dies wird
durch die Vermessung einer ersten elektrischen Kapazität 3 zwischen
einer ersten Elektrode 14 an der ersten seismischen Masse 10 und
auf der ersten Seite 102 und einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 die erste
Elektrode 14 zumindest teilweise überlappende zweite
Elektrode 24 an der zweiten seismischen Masse 20 und
auf der ersten Seite 102 detektiert. Gleichzeitig wird
eine zweite elektrische Kapazität 3' zwischen
einer weiteren ersten Elektrode 14' an der ersten seismischen
Masse 10 und auf der zweiten Seite 103 und einer
senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 die weitere erste
Elektrode 14' zumindest teilweise überlappenden
weiteren zweiten Elektrode 24' an der zweiten seismischen
Masse 20 und auf der zweiten Seite 103 vermessen.
Die erste und zweite Rotationsbewegung 104, 105 führen
zu einer Änderung der ersten und der zweiten Kapazität 3, 3',
wobei die jeweilige Änderung in ein erstes und ein zweites
Spannungssignal 4, 4' und/oder in ein gemeinsames
Differenzsignal 5 umgewandelt werden.
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In 3 ist
eine schematische Ansicht des Verfahrens zum Betrieb eines mikromechanischen Sensorelements 1 gemäß der
beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
dargestellt, wobei die erste und die zweite Elektrode 14, 24 als erster
Kondensator mit der ersten elektrischen Kapazität 3 und
die weitere erste und die weitere zweite Elektrode 14', 24' als
zweiter Kondensator mit der zweiten elektrische Kapazität 3' dargestellt
sind. Die erste Elektrode 14 ist mittels einer ersten Leiterbahn 200 mit
einem ersten Kapazitäts-Spannungswandler 201 verbunden,
während die weitere erste Elektrode 14' mittels
einer zweiten Leiterbahn 202 mit einem zweiten Kapazitäts-Spannungswandler 203 verbunden
ist. Die zweite Elektrode 24 und die weitere zweite Elektrode 24' sind
gemeinsam über eine dritte Leiterbahn 204 sowohl
mit dem ersten, als auch mit dem zweiten Kapazitäts-Spannungswandler 201, 203 verbunden.
Der erste Kapazitäts-Spannungswandler 201 erzeugt
ein erstes Spannungssignal 4 proportional einer Änderung
der ersten Kapazität 3 und der zweite Kapazitäts-Spannungswandler 203 erzeugt ein
zweites Spannungssignal 4' proportional einer Änderung
der zweiten Kapazität 3'. Das erste und das zweite
Spannungssignal 4, 4' werden mittels eines Differenzverstärkers 205 in
ein der Beschleunigung 101 proportionales Differenzsignal 5 umgewandelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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