DE102008041327A1

DE102008041327A1 - Dreiachsiger Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102008041327A1
Application number: DE102008041327A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen; Arnd Kaelberer; Lars Tebje
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2008-08-19
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-08-20
Also published as: US20100043549A1; TW201009340A; ITMI20091471A1; US8272268B2; TWI464406B; DE102008041327B4; CN101655508A; IT1395163B1

Abstract

Ein Beschleunigungssensor umfasst ein Substrat, eine Wippenmasse, eine mit der Wippenmasse verbundene z-Feder, die eine Drehung der Wippenmasse um eine Achse gestattet, sowie mindestens eine weitere mit dem Substrat und der Wippenmasse verbundene Federanordnung. Die weitere Federanordnung ermöglicht eine Auslenkung der Wippenmasse in eine parallel oder senkrecht zur Achse orientierte x- oder y-Richtung. Die z-Feder oder die weitere Federanordnung ermöglicht eine Auslenkung der Wippenmasse in die senkrecht oder parallel zur Achse orientierte y- bzw. x-Richtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit einer über einer Ebene eines Substrats angeordneten Masse.
Stand der Technik
Dreiachsige Beschleunigungssensoren, insbesondere dreiachsige mikromechanische Beschleunigungssensoren, werden für Anwendungen in der Unterhaltungs- und Automobilelektronik benötigt. Dabei ist eine möglichst kompakte Bauweise der Beschleunigungssensoren erwünscht.
Das Grundprinzip mikromechanischer Beschleunigungssensoren besteht darin, eine seismische Masse mit Hilfe einer Aufhängung auf einem Substrat beweglich gegenüber feststehenden Elektroden zu lagern. Die seismische Masse und die feststehenden Elektroden bilden einen oder mehrere Kondensatoren. Eine durch eine auf den mikromechanischen Beschleunigungssensor wirkende Beschleunigung hervorgerufene Auslenkung der seismischen Masse führt zu einer Veränderung der Kapazitäten dieser Kondensatoren, die detektiert werden kann und ein Maß für die Größe der wirkenden Beschleunigung darstellt. Zur Vermeidung von Nullpunktsabweichungen werden die Kapazitätsänderungen bevorzugt differenziell ausgewertet.
Im Stand der Technik werden dreiachsige Beschleunigungssensoren durch drei voneinander unabhängige Sensorkerne mit getrennten seismischen Massen realisiert, die nebeneinander auf einem gemeinsamen Chip angeordnet sind. Dies führt zu einem hohen Platzbedarf und vergleichsweise großen Beschleunigungssensoren.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen dreiachsigen mikromechanischen Beschleunigungssensor bereitzustellen, der eine kompakte Bauform aufweist. Diese Aufgabe wird durch einen Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst ein Beschleunigungssensor ein Substrat, eine Wippenmasse, eine mit der Wippenmasse verbundene z-Feder, die eine Drehung der Wippenmasse um eine Achse gestattet, sowie mindestens eine weitere mit dem Substrat und der Wippenmasse verbundene Federanordnung. Die weitere Federanordnung ermöglicht eine Auslenkung der Wippenmasse in eine parallel oder senkrecht zur Achse orientierte x- oder y-Richtung. Die z-Feder oder die weitere Federanordnung ermöglicht eine Auslenkung der Wippenmasse in die senkrecht oder parallel zur Achse orientierte y- bzw. x-Richtung. Da dieser Beschleunigungssensor nur ein Massenelement zur Detektion von Beschleunigungen in alle drei Raumrichtungen benötigt, lässt sich der Beschleunigungssensor sehr kompakt aufbauen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Beschleunigungssensor Gitterelektroden auf, denen fest mit dem Substrat verbundene Substratelektroden gegenüberstehen, wobei die Gitterelektroden und die Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung der Wippenmasse in x- oder y-Richtung gestatten.
In einer Weiterbildung des Beschleunigungssensors steht der Wippenmasse mindestens eine fest mit dem Substrat verbundene z-Elektrode gegenüber, die eine Detektion einer Drehung der Wippenmasse gestattet. Bevorzugterweise sind mindestens zwei z-Elektroden vorgesehen, wobei die z-Elektroden eine differentielle Auswertung einer Drehung der Wippenmasse gestatten. Dies ermöglicht eine Kompensation von Nullpunktsabweichungen bei der Detektion einer senkrecht zur Substratebene wirkenden Beschleunigung.
Zweckmässigerweise ist die z-Feder als Torsionsfeder ausgebildet. Ebenfalls zweckmässig ist, dass die weitere Federanordnung in x- und/oder y-Richtung dehnbare Biegefedern umfasst.
In einer Ausführungsform des Beschleunigungssensors ist die Wippenmasse über die z-Feder mit einem inneren Rahmen verbunden, wobei der innere Rahmen über zwei, auf einander gegenüberliegenden Seiten des inneren Rahmens angeordnete, in y-Richtung dehnbare y-Federn mit einem äußeren Rahmen verbunden und der äußere Rahmen über zwei, auf einander gegenüberliegenden Seiten des äußeren Rahmens angeordnete, in x-Richtung dehnbare x-Federn mit dem Substrat verbunden ist. Dabei weist die Wippenmasse y-Gitterelektroden auf, denen fest mit dem Substrat verbundene y-Substratelektroden gegenüberstehen. Die y-Gitterelektroden und die y-Substratelektroden gestatten eine Detektion einer Auslenkung der Wippenmasse in y-Richtung. Der äußere Rahmen weist x-Gitterelektroden auf, denen fest mit dem Substrat verbundene x-Substratelektroden gegenüberstehen, wobei die x-Gitterelektroden und die x-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung des äußeren Rahmens in x-Richtung gestatten. Diese Ausführung gestattet einen äußerst kompakten Aufbau des dreiachsigen Beschleunigungssensors.
In einer weiteren Ausführungsform des Beschleunigungssensors ist die Wippenmasse über die z-Feder mit einem Rahmen verbunden, wobei der Rahmen über eine Mehrzahl an äußeren Kanten des Rahmens angeordneter, in x- und y-Richtung dehnbarer x-y-Federn mit dem Substrat verbunden ist. Die Wippenmasse weist y-Gitterelektroden auf, denen fest mit dem Substrat verbundene y-Substratelektroden gegenüberstehen. Dabei gestatten die y-Gitterelektroden und die y-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung der Wippenmasse in y-Richtung. Der Rahmen weist x-Gitterelektroden auf, denen fest mit dem Substrat verbundene x-Substratelektroden gegenüberstehen, wobei die x- Gitterelektroden und die x-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung des Rahmens in x-Richtung gestatten. Auch diese Ausführungsform gestattet einen sehr kompakten Aufbau des Beschleunigungssensors.
In einer weiteren Ausführungsform des Beschleunigungssensors ist die Wippenmasse über die z-Feder mit einem Rahmen verbunden, wobei die z-Feder in y-Richtung dehnbar ist. Der Rahmen ist über zwei, auf einander gegenüberliegenden Seiten des Rahmens angeordnete, in x-Richtung dehnbare x-Federn mit dem Substrat verbunden ist. Die Wippenmasse weist y-Gitterelektroden auf, denen fest mit dem Substrat verbundene y-Substratelektroden gegenüberstehen, wobei die y-Gitterelektroden und die y-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung der Wippenmasse in y-Richtung gestatten. Der Rahmen weist x-Gitterelektroden auf, denen fest mit dem Substrat verbundene x-Substratelektroden gegenüberstehen, wobei die x-Gitterelektroden und die x-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung des Rahmens in x-Richtung gestatten. Auch diese Ausführungsform gestattet einen sehr kompakten Aufbau des Beschleunigungssensors.
In einer bevorzugten Weiterbildung der letztgenannten Ausführungsformen des Beschleunigungssensors umschließt der Rahmen die Wippenmasse nicht vollständig. Dies erlaubt eine weitere Reduzierung der Größe des Beschleunigungssensors.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Sensors zur Detektion von Beschleunigungen in z-Richtung;
2 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines z-Beschleunigungssensors;
3 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines dreiachsigen Beschleunigungssensors;
4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines dreiachsigen Beschleunigungssensors;
5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines dreiachsigen Beschleunigungssensors.
Ausführungsformen der Erfindung
1 und 2 erläutern schematisch die Funktionsweise eines als Schnitt dargestellten Beschleunigungssensors zur Detektion einer Beschleunigung in eine Richtung senkrecht zu einer Substratebene. Diese Richtung wird als z-Richtung bezeichnet.
Wie 1 zeigt, umfasst ein Beschleunigungssensor 100 eine seismische Masse 101, die über eine Torsionsfeder 102 mit einem Substrat 103 verbunden ist. Die seismische Masse 101 ist im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet und parallel zur Ebene des Substrats 103 angeordnet. Eine Verbindung zwischen seismischer Masse 101 und Substrat 103 wird lediglich durch die Torsionsfeder 102 hergestellt, die in einem mittleren Bereich der seismischen Masse 101 angeordnet ist.
Das Substrat 103 weist eine fest mit dem Substrat 103 verbundene erste Substratelektrode 106 und eine fest mit dem Substrat 103 verbundene zweite Substratelektrode 107 auf. Die erste Substratelektrode 106 und die zweite Substratelektrode 107 sind unterhalb der seismischen Masse 101 auf jeweils unterschiedlichen Seiten neben der Torsionsfeder 102 angeordnet.
Die seismische Masse 101 weist zu einer Seite der Torsionsfeder 102 eine Zusatzmasse 104 gegenüber der anderen Seite der Torsionsfeder 102 auf. Diese Massenasymmetrie der seismischen Masse 101 bezüglich ihres Aufhängungspunktes bewirkt eine Verkippung der seismischen Masse 101 um die Torsionsfeder 102, falls eine Beschleunigung in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 100 wirkt.
Wie 2 zeigt, stellt die seismische Masse 101 eine Wippenelektrode 105 dar, die gemeinsam mit der ersten Substratelektrode 106 einen ersten Kondensator 201 und zusammen mit der zweiten Substratelektrode 107 einen zweiten Kondensator 202 bildet. Die Kapazitäten des ersten Kondensators 201 und des zweiten Kondensators 202 werden im Wesentlichen durch den Abstand der Wippenelektrode 105 von der ersten Substratelektrode 106 und der zweiten Substratelektrode 107 bestimmt. Eine durch eine in z-Richtung wirkende Beschleunigung hervorgerufene Verkippung der seismischen Masse 101 um die Torsionsfeder 102 verändert diese Abstände und somit die Kapazitäten des ersten Kondensators 201 und des zweiten Kondensators 202. Falls sich der den ersten Kondensator 201 bildende Teil der Wippenelektrode 105 vom Substrat 103 entfernt, so nähert sich der den zweiten Kondensator 202 bildende Teil der seismischen Masse 101 dem Substrat 103 an. In diesem Fall verringert sich die Kapazität des ersten Kondensators 201, während sich die Kapazität des zweiten Kondensators 202 erhöht. Die Kapazitäten und Kapazitätsänderungen können über eine mit dem ersten Kondensator 201 und dem zweiten Kondensator 202 verbundene Auswertelektronik erfasst und ausgewertet werden. Dabei gestatten die gegenläufigen Kapazitätsänderungen des ersten Kondensators 201 und des zweiten Kondensators 202 eine differenzielle Auswertung, die einen linearisierten Zusammenhang zwischen auf den Beschleunigungssensor 100 wirkender Beschleunigung und Ausgangssignal liefert. Die differenzielle Auswertung ermöglicht eine Kompensation von Nullpunktsfehlern.
3 zeigt eine erste Ausführungsform eines dreiachsigen Beschleunigungssensors 300. Der in einer Aufsicht dargestellte Beschleunigungssensor 300 ist in einer z-Richtung oberhalb eines in einer x-y-Ebene liegenden Substrats 313 angeordnet.
Der Beschleunigungssensor 300 ist über zwei Befestigungspunkte 301 mit dem Substrat 313 verbunden. Die Befestigungspunkte 301 sind an zwei einander in x-Richtung gegenüberliegenden Seiten des Beschleunigungssensors 300 angeordnet. Jeder Befestigungspunkt 301 ist mit einer x-Feder 307 verbunden, die in x-Richtung dehnbar und in y- und z-Richtung steif ist. Die x-Federn 307 können beispielsweise als Balkenfedern aus vier entlang der Kanten eines Rechtecks angeordneten Balken ausgebildet sein, die in den Endbereichen verbunden sind. Die Längsrichtung der x-Federn 307 sind in y-Richtung orientiert. Die beiden Längsseiten der x-Federn 307 können elastisch aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden. Der relativ zum Beschleunigungssensor 300 außen liegende Längsbalken jeder x-Feder 307 ist mit einem der Befestigungspunkte 301 verbunden. Der jeweils innere Balken der beiden x-Federn 307 ist mit einem äußeren Rahmen 302 verbunden. In einer anderen Ausgestaltung können die x-Federn 307 auch beispielsweise S-förmig ausgebildet sein.
Der äußere Rahmen 302 schließt eine Fläche ein, die in zwei Abschnitte unterteilt ist. Ein erster im Wesentlichen rechteckiger Abschnitt 316, dessen Längsseite in y-Richtung orientiert ist, ist entlang einer in y-Richtung verlaufenden rechten Seitenkante des Rahmens 302 vorgesehen. In diesem Abschnitt bildet der Rahmen 302 in y-Richtung orientierte, balkenförmige x-Gitterelektroden 314. Zwischen den balkenförmigen x-Gitterelektroden 314 sind fest mit dem Substrat 313 verbundene, streifenförmige, in y-Richtung orientierte x-Substratelektroden 310 angeordnet. Zusammen mit den x-Gitterelektroden 314 bilden die x-Substratelektroden 310 einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand der Gitterelektroden 314 von den x-Substratelektroden 310 abhängt.
Der zweite durch den äußeren Rahmen 302 eingeschlossene Flächenabschnitt 317 ist im Wesentlichen rechteckig und neben dem rechteckigen ersten Abschnitt 316 angeordnet. Zwei parallel zur x-Richtung orientierte Balken 318, 319 des rechtecki gen Abschnitts 317 des äußeren Rahmens 302 sind mit jeweils einer y-Feder 308 verbunden. Die y-Federn 308 weisen die gleiche Form wie die x-Federn 307 auf, sind im Verhältnis zu diesen jedoch um 90° gedreht, so dass eine Längsrichtung der y-Federn 308 parallel zur x-Richtung orientiert ist. Je ein Längsbalken der beiden y-Federn 308 ist mit dem äußeren Rahmen 302 verbunden. Der jeweils andere Längsbalken der beiden y-Federn 308 ist mit einem inneren Rahmen 303 verbunden. In einer anderen Ausgestaltung können die y-Federn 308 beispielsweise S-förmig ausgebildet sein.
Der innere Rahmen 303 besteht aus vier entlang der Kanten eines im Wesentlichen quadratischen Rechtecks angeordneter Balken 320, 321, 322, 323. Die Innenfläche des inneren Rahmens 303 ist durch zwei, zwischen den parallel zur y-Richtung orientierten Balken 321, 323 des inneren Rahmens 303 verlaufenden, z-Federn 309 mit einem dazwischen liegenden Steg 305 in zwei unterschiedlich große Abschnitte unterteilt. Die beiden z-Federn 309 sind als balkenförmige Torsionsfedern ausgebildet, die sich beidseitig des Stegs 305 in x-Richtung erstrecken.
Der Steg 305 ist mit einer Wippenmasse 304 verbunden, die die beiden ungleich großen Abschnitte der durch den inneren Rahmen 303 eingeschlossenen Fläche im Wesentlichen ausfüllt. Die Wippenmasse 304 ist um die durch die beiden z-Federn 309 gebildete, in x-Richtung orientierte Achse drehbar. Die zu beiden Seiten der Drehachse gelegenen Teile der Wippenmasse 304 weisen unterschiedliche Größe auf. Der größere Teil der Wippenmasse 304 umfasst gegenüber dem kleineren Teil der Wippenmasse 304 eine Zusatzmasse 306. In z-Richtung unterhalb beider Teile der Wippenmasse 304 ist jeweils eine fest mit dem Substrat 313 verbundene z-Elektrode 312 angeordnet. Beide z-Elektroden 312 nehmen etwa die gleiche Fläche ein. Zusammen mit der Wippenmasse 304 bilden die beiden z-Elektroden 312 jeweils einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand der Wippenmasse 304 von der jeweiligen z-Elektrode 312 abhängt.
In den die Zusatzmasse 306 umfassenden größeren Teil der Wippenmasse 304 sind in x-Richtung orientierte, balkenförmige y-Gitterelektroden 315 integriert. Zwischen den balkenförmigen y-Gitterelektroden 315 sind fest mit dem Substrat 313 verbundene, in x-Richtung orientierte, streifenförmige y-Substratelektroden 311 angeordnet. Zusammen mit den y-Gitterelektroden 315 der Wippenmasse 304 bilden die y-Substratelektroden 311 Kondensatoren, deren Kapazität vom Abstand der y-Gitterelektroden 315 von den y-Substratelektroden 311 abhängt.
Eine in x-Richtung auf den Beschleunigungssensor 300 wirkende Beschleunigung führt zu einer in x-Richtung auf die Wippenmasse 304 wirkenden Kraft, die die x-Federn 307 elastisch verformt und den äußeren Rahmen 302 in x-Richtung auslenkt. Die Auslenkung ist umso größer, je größer die auf den Beschleunigungssensor 300 wirkende Beschleunigung ist. Die Auslenkung des äußeren Rahmens 302 führt dazu, dass sich der Abstand zwischen den x-Substratelektroden 310 und den x-Gitterelektroden 314 des äußeren Rahmens 302 ändert, wodurch sich auch die Kapazität des von x-Substratelektroden 310 und x-Gitterelektroden 314 gebildeten Kondensators ändert. Diese Kapazitätsänderung kann mittels einer mit dem Beschleunigungssensor 300 verbundenen Auswertelektronik detektiert und ausgewertet werden.
Eine in y-Richtung auf den Beschleunigungssensor 300 wirkende Beschleunigung ruft eine auf die Wippenmasse 304 in y-Richtung wirkende Kraft hervor und führt zu einer elastischen Verformung der beiden y-Federn 308 und einer Auslenkung des inneren Rahmens 303 in y-Richtung. Die Auslenkung des inneren Rahmens 303 ist umso größer, je stärker die auf den Beschleunigungssensor 300 wirkende Beschleunigung ist. Die Auslenkung des inneren Rahmens 303 in y-Richtung bewirkt eine Änderung des Abstands zwischen den in die Wippenmasse 304 integrierten y-Gitterelektroden 315 und den fest mit dem Substrat 313 ver bundenen y-Substratelektroden 311. Dadurch ändert sich die Kapazität des durch die y-Gitterelektroden 315 und die y-Substratelektroden 311 gebildeten Kondensators, was mit einer mit dem Beschleunigungssensor 300 verbundenen Auswertelektronik erkannt und quantifiziert werden kann.
Eine in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 300 wirkende Beschleunigung führt zu einer in z-Richtung auf die Wippenmasse 304 wirkenden Kraft. Da die zu beiden Seiten der z-Federn 309 angeordneten Teile der Wippenmasse 304 unterschiedliche Masse aufweisen, wirkt auf den mit der Zusatzmasse 306 versehenen Teil der Wippenmasse 304 eine größere Kraft als auf den anderen Teil der Wippenmasse 304. Dieses Kräfteungleichgewicht bewirkt ein relativ zu den z-Federn 309 auf die Wippenmasse 304 wirkendes Drehmoment, das eine Kippung der Wippenmasse 304 um die durch die z-Federn 309 gebildete Achse hervorruft. Die Verkippung der Wippenmasse 304 ist umso größer, je größer die auf den Beschleunigungssensor 300 wirkende Beschleunigung ist. Durch die Verkippung der Wippenmasse 304 ändern sich die Kapazitäten der beiden, durch die Wippenmasse 304 und die beiden fest mit dem Substrat 313 verbundenen z-Elektroden 312 gebildeten, Kondensatoren. Die Kapazität des einen Kondensators nimmt zu, die des anderen ab. Diese Kapazitätsänderungen können mit einer mit dem Beschleunigungssensor 300 verbundenen Auswertelektronik erfasst und ausgewertet werden. Da zwei Kondensatoren zur Verfügung stehen, deren Kapazitätsänderungen umgekehrte Vorzeichen aufweisen, ist eine differenzielle Auswertung der Kapazitätsänderungen möglich. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Beschleunigungssensors 400. Der Beschleunigungssensor 400 ist in einer z-Richtung oberhalb eines in einer x-y-Ebene liegenden Substrats 413 angeordnet.
Der Beschleunigungssensor 400 umfasst vier x-y-Federn 407, die über jeweils einen Befestigungspunkt 401 mit dem Substrat 413 verbunden sind. Jede x-y-Feder 407 ist als mäanderförmige Balkenstruktur ausgebildet. Jeweils ein Ende einer mäanderförmigen x-y-Feder 407 ist mit einem der Befestigungspunkte 401 verbunden. Das jeweils andere Ende jeder x-y-Feder 407 ist mit einem Rahmen 402 des Beschleunigungssensors 400 verbunden. Je zwei x-y-Federn 407 sind an zwei einander in x-Richtung gegenüberliegenden, in y-Richtung verlaufenden Seitenkanten des Rahmens 402 angeordnet. Jede x-y-Feder 407 ist sowohl in x- als auch in y-Richtung elastisch verformbar, in z-Richtung jedoch steif. In einer anderen Ausgestaltung können die x-y-Federn 407 beispielsweise S-förmig ausgebildet sein.
Der Rahmen 402 ist auf einer Seite teilweise offen und weist eine im Wesentlichen rechteckige Grundform auf, die durch entlang der Seitenkanten des Rechtecks verlaufende Balkenabschnitte des Rahmens 402 gebildet wird. Die durch den Rahmen 402 umgebene Fläche ist in zwei Abschnitte 416, 417 unterteilt. Entlang einer in y-Richtung verlaufenden Seitenkante des Rahmens 402 ist ein rechteckiger Abschnitt 416 vorgesehen, dessen Längsseite in y-Richtung orientiert ist. In diesem Abschnitt 416 bildet der Rahmen 402 in y-Richtung orientierte, balkenförmige x-Gitterelektroden 414. Zwischen den balkenförmigen x-Gitterelektroden 414 sind fest mit dem Substrat 413 verbundene, streifenförmige, in y-Richtung orientierte x-Substratelektroden 410 angeordnet. Zusammen mit den x-Gitterelektroden 414 bilden die x-Substratelektroden 410 einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand der x-Gitterelektroden 414 von den x-Substratelektroden 410 abhängt.
Der zweite Abschnitt 417 der durch den Rahmen 402 umgebenen Fläche wird im Wesentlichen durch die beiden unterschiedlich großen Flügel einer Wippenmasse 404 ausgefüllt. Die beiden Flügel der Wippenmasse 404 sind über einen Steg 405 miteinander verbunden. Der Steg 405 ist beidseitig durch je eine in x-Richtung verlaufende z-Feder 409 mit dem Rahmen 402 verbun den. Die beiden z-Federn 409 sind als balkenförmige Torsionsfedern ausgebildet und erlauben eine Verkippung der Wippenmasse 404 um die durch die z-Federn 409 gebildete Drehachse.
Der größere der beiden Flügel der Wippenmasse 404 umfasst gegenüber dem kleineren Flügel der Wippenmasse 404 eine Zusatzmasse 406. In den größeren Flügel der Wippenmasse 404 sind in in x-Richtung orientierte, balkenförmige y-Gitterelektroden 415 integriert. Zwischen den balkenförmigen y-Gitterelektroden 415 sind fest mit dem Substrat 413 verbundene, streifenförmige, in x-Richtung verlaufende y-Substratelektroden 411 angeordnet. Zusammen mit den y-Gitterelektroden 415 bilden die y-Substratelektroden 411 einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand der y-Gitterelektroden 415 von den y-Substratelektroden 411 abhängt.
Unter jedem der beiden Flügel der Wippenmasse 404 ist je eine fest mit dem Substrat 413 verbundene z-Elektrode 412 angeordnet. Beide z-Elektroden 412 nehmen etwa die gleiche Fläche ein. Jede der z-Elektroden 412 bildet gemeinsam mit der Wippenmasse 404 einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand der Wippenmasse 404 von der jeweiligen z-Elektrode 412 abhängt.
Die die Wippenmasse 404 umschließenden Balkenabschnitte des Rahmens 402 können zur Reduzierung des Platzbedarfs des Beschleunigungssensors 400 wahlweise entfallen. In der Darstellung der 4 fehlt beispielsweise der den größeren Flügel der Wippenmasse 404 umschließende Balkenabschnitt des Rahmens 402.
Eine in x-Richtung auf den Beschleunigungssensor 400 wirkende Beschleunigung erzeugt eine in x-Richtung auf die Wippenmasse 404 wirkende Kraft. Dadurch werden die x-y-Federn 407 in x-Richtung elastisch verformt und der Rahmen 402 in x-Richtung ausgelenkt. Die Auslenkung des Rahmens 402 ist umso größer, je größer die auf den Beschleunigungssensor 400 wirkende Beschleunigung ist. Die Auslenkung des Rahmens 402 bewirkt eine Änderung des Abstands zwischen den x-Gitterelektroden 414 und den mit dem Substrat 413 verbundenen x-Substratelektroden 410. Dadurch ändert sich die Kapazität des durch x-Substratelektroden 410 und x-Gitterelektroden 414 gebildeten Kondensators, was mittels einer mit dem Beschleunigungssensor 400 verbundenen Auswertelektronik erfasst und ausgewertet werden kann.
Eine in y-Richtung auf den Beschleunigungssensor 400 wirkende Beschleunigung ruft eine in y-Richtung auf die Wippenmasse 404 ausgeübte Kraft hervor, die zu einer elastischen Verformung der x-y-Federn 407 und zu einer Auslenkung des Rahmens 402 in y-Richtung führt. Die Auslenkung des Rahmens 402 in y-Richtung ist umso größer, je größer die auf den Beschleunigungssensor 400 wirkende Beschleunigung ist. Die Auslenkung des Rahmens 402 bewirkt eine Änderung der Kapazität des durch die y-Gitterelektroden 415 und die mit dem Substrat 413 verbundenen y-Substratelektroden 411 gebildeten Kondensators. Diese Kapazitätsänderung kann durch eine mit dem Beschleunigungssensor 400 verbundene Auswertelektronik erfasst und ausgewertet werden.
Eine in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 400 wirkende Beschleunigung führt zu einer in z-Richtung auf die Wippenmasse 404 wirkenden Kraft. Wegen der unterschiedlichen Masse der beiden Flügel der Wippenmasse 404 unterscheiden sich die auf die beiden Flügel der Wippenmasse wirkenden Kräfte und führen zu einem an der Wippenmasse 404 angreifenden Drehmoment, das eine Verkippung der Wippenmasse 404 um die durch die z-Federn 409 gebildete Achse hervorruft. Dadurch ändern sich die Abstände zwischen der Wippenmasse 404 und den beiden mit dem Substrat 413 verbundenen z-Elektroden 412. In der Folge nimmt die Kapazität des durch eine der z-Elektroden 412 und die Wippenmasse 404 gebildeten Kondensators zu, während die Kapazität des durch die anderer z-Elektrode 412 und die Wippenmasse 404 gebildeten Kondensators abnimmt. Diese Kapazitätsänderungen können durch eine mit dem Beschleunigungssensor 400 verbundene Auswertelektronik detektiert und differenziell ausgewertet werden.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Beschleunigungssensors 500. Der im Wesentlichen scheibenförmige Beschleunigungssensor 500 ist in einer z-Richtung oberhalb eines in einer x-y-Ebene vorgesehenen Substrats 513 angeordnet.
Der Beschleunigungssensor 500 umfasst zwei x-Federn 507, die auf zwei einander in x-Richtung gegenüberliegenden Seiten des Beschleunigungssensors 500 angeordnet sind. Die x-Federn 507 bestehen aus jeweils vier entlang der Kanten eines Rechtecks verlaufenden Balkenabschnitten, die in den Endbereichen miteinander verbunden sind. Die x-Federn 507 sind in Längsrichtung parallel zur y-Achse orientiert. Jede der x-Federn 507 ist in x-Richtung elastisch verformbar, in y- und z-Richtung jedoch steif. Jede der x-Federn 507 ist am äußeren der beiden in y-Richtung verlaufenden Balkenabschnitte über je einen Befestigungspunkt 501 mit dem Substrat 513 verbunden. Der jeweils innere Balkenabschnitt der beiden x-Federn 507 ist mit einem Rahmen 502 verbunden. In einer anderen Ausgestaltung können die x-Federn 507 beispielsweise S-förmig ausgebildet sein.
Der Rahmen 502 umgrenzt teilweise eine rechteckige Grundform, die in zwei Abschnitte 516, 517 unterteilt ist.
Der erste Abschnitt 516 wird durch balkenförmige x-Gitterelektroden 514 gebildet, die entlang einer in y-Richtung orientierten, kürzeren Seitenkante des Rahmens 502 angeordnet sind. Zwischen den in y-Richtung orientierten x-Gitterelektroden 514 sind fest mit dem Substrat 513 verbundene, streifenförmige, in y-Richtung verlaufende x-Substratelektroden 510 angeordnet. Auf der dem zweiten Abschnitt 517 zugewandten Seiten des ersten Abschnitts 516 wird dieser durch einen in y-Richtung orientierten Balken 519 des Rahmens 502 begrenzt.
Der zweite Abschnitt 517 der durch den Rahmen 502 umgebenen Fläche erstreckt sich zwischen dem Balken 519 und einem weiteren in y-Richtung orientierten Balken 518 des Rahmens 502 und wird im Wesentlichen durch zwei ungleich große Flügel einer Wippenmasse 504 ausgefüllt. Die beiden Flügel der Wippenmasse 504 sind über einen Steg 505 verbunden. Der Steg 505 ist beidseitig über zwei in x-Richtung verlaufende y-z-Federn 508 mit den Balken 518 und 519 des Rahmens 502 verbunden. Die y-z-Federn sind als balkenförmige Torsionsfedern ausgebildet. Die y-z-Federn 508 erlauben eine Verkippung der Wippenmasse 504 um eine durch die y-z-Federn 508 gebildete, in x-Richtung verlaufende Achse. Außerdem erlauben die y-z-Federn 508 eine Auslenkung der Wippenmasse 504 in y-Richtung. In x-Richtung sind die y-z-Federn 508 steif.
Da die beiden Flügel der Wippenmasse 504 eine unterschiedliche Größe aufweisen, verfügt der größere der beiden Flügel der Wippenmasse 504 gegenüber dem kleineren der beiden Flügel der Wippenmasse 504 über eine Zusatzmasse 506. In den größeren der beiden Flügel der Wippenmasse 504 sind in x-Richtung orientierte, balkenförmige y-Gitterelektroden 515 integriert. Zwischen den balkenförmigen y-Gitterelektroden 515 sind fest mit dem Substrat 513 verbundene, streifenförmige, in x-Richtung verlaufende y-Substratelektroden 511 angeordnet.
In z-Richtung unterhalb der beiden Flügel der Wippenmasse 504 ist je eine fest mit dem Substrat 513 verbundene z-Elektrode 512 angeordnet. Beide z-Elektroden 512 nehmen etwa die gleiche Fläche ein. Jede der z-Elektroden 512 bildet mit einem der Flügel der Wippenmasse 504 jeweils einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand des Flügels der Wippenmasse 504 von der jeweiligen z-Elektrode 512 abhängt.
Die die Wippenmasse 504 einschließenden Balkenabschnitte des Rahmens 502 können zur Reduzierung des Platzbedarfs des Beschleunigungssensors 500 entfallen. In der Darstellung von 5 fehlen beispielsweise beide die Wippenmasse 504 einschließenden, zur x-Achse parallelen Balkenbereiche des Rahmens 502. In einer anderen Ausführungsform könnten die Endbereiche der Balken 518, 519 des Rahmens 502 miteinander verbunden sein.
Wirkt eine Beschleunigung in x-Richtung auf den Beschleunigungssensor 500, so erfährt die Wippenmasse 504 eine Kraft in x-Richtung, die zu einer elastischen Verformung der beiden x-Federn 507 und zu einer Auslenkung des Rahmens 502 in x-Richtung führt. Dadurch ändert sich die Kapazität des durch die x-Gitterelektroden 514 und die x-Substratelektroden 510 gebildeten Kondensators. Diese Kapazitätsänderung kann mittels einer mit dem Beschleunigungssensor 500 verbundenen Auswertelektronik detektiert und ausgewertet werden.
Wirkt eine Beschleunigung in y-Richtung auf den Beschleunigungssensor 500, so erfährt die Wippenmasse 504 eine Kraft in y-Richtung, die eine elastische Verformung der y-z-Federn 508 in y-Richtung und eine Auslenkung der Wippenmasse 504 in y-Richtung hervorruft. Durch die Auslenkung der Wippenmasse 504 ändert sich die Kapazität des durch die y-Gitterelektroden 515 und die y-Substratelektroden 511 gebildeten Kondensators. Diese Kapazitätsänderung kann mittels einer mit dem Beschleunigungssensor 500 verbundenen Auswertelektronik erfasst und quantifiziert werden.
Eine in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 500 wirkende Beschleunigung führt zu einer in z-Richtung an die Wippenmasse 504 angreifenden Kraft. Wegen der unterschiedlichen Massen der beiden Flügel der Wippenmasse 504 unterscheiden sich die auf beide Flügel der Wippenmasse 504 wirkenden Kräfte und erzeugen ein an der Wippenmasse 504 angreifendes Drehmoment, das eine Verkippung der Wippenmasse 504 um die durch die y-z- Federn 508 gebildete Achse bewirkt. Diese Verkippung ist umso größer, je größer die auf den Beschleunigungssensor 500 wirkende Beschleunigung ist. Durch die Verkippung der Wippenmasse 504 ändern sich die Kapazitäten der beiden durch die Flügel der Wippenmasse 504 und die in z-Richtung unterhalb der Flügel angeordneten z-Elektroden 512 gebildeten Kondensatoren. Die Kapazität des einen Kondensators nimmt zu, während die Kapazität des anderen Kondensators abnimmt. Diese Kapazitätsänderungen können mittels einer mit dem Beschleunigungssensor 500 verbundenen Auswertelektronik erfasst und differenziell ausgewertet werden.
Die in 4 und 5 dargestellten Beschleunigungssensoren 400 und 500 zeichnen sich gegenüber dem in 3 gezeigten Beschleunigungssensor 300 durch einen reduzierten Platzbedarf aus. Allen Beschleunigungssensoren 300, 400, 500 ist ein gegenüber dem Stand der Technik reduzierter Platzbedarf gemein, der durch die gemeinsame Verwendung der Wippenmasse zur Detektion von Beschleunigungen in alle drei Raumrichtungen erreicht wird.
In allen Beschleunigungssensoren 300, 400, 500 können die x-Substratelektroden 310, 410, 510 und die y-Substratelektroden 311, 411, 511 auch zur differenziellen Auswertung einer Auslenkung in x- bzw. y-Richtung ausgelegt werden. Realisierungsmöglichkeiten sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.

Claims

Beschleunigungssensor mit einem Substrat (313, 413, 513), einer Wippenmasse (304, 404, 504), einer mit der Wippenmasse verbundenen z-Feder (309, 409, 508), die eine Drehung der Wippenmasse um eine Achse gestattet, sowie mindestens einer weiteren mit dem Substrat und der Wippenmasse verbundenen Federanordnung (307, 308, 407, 507, 508), wobei die weitere Federanordnung eine Auslenkung der Wippenmasse in eine parallel oder senkrecht zur Achse orientierte x- oder y-Richtung ermöglicht, und wobei die z-Feder oder die weitere Federanordnung eine Auslenkung der Wippenmasse in die senkrecht oder parallel zur Achse orientierte y- bzw. x-Richtung ermöglicht.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, wobei der Beschleunigungssensor Gitterelektroden (314, 315, 414, 415, 514, 515) aufweist, denen fest mit dem Substrat verbundene Substratelektroden (310, 311, 410, 411, 510, 511) gegenüberstehen, wobei die Gitterelektroden und die Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung der Wippenmasse in x- oder y-Richtung gestatten.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wippenmasse mindestens eine fest mit dem Substrat verbundene z-Elektrode (312, 412, 512) gegenübersteht, die eine Detektion einer Drehung der Wippenmasse gestattet.
Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, wobei mindestens zwei z-Elektroden vorgesehen sind, wobei die z-Elektroden eine differentielle Auswertung einer Drehung der Wippenmasse gestatten.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die z-Feder als Torsionsfeder ausgebildet ist.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die weitere Federanordnung in x- und/oder y-Richtung dehnbare Biegefedern umfasst.
Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wippenmasse über die z-Feder mit einem inneren Rahmen (303) verbunden ist, wobei der innere Rahmen über zwei, auf einander gegenüberliegenden Seiten des inneren Rahmens angeordnete, in y-Richtung dehnbare y-Federn (308) mit einem äußeren Rahmen (302) verbunden ist, wobei der äußere Rahmen über zwei, auf einander gegenüberliegenden Seiten des äußeren Rahmens angeordnete, in x-Richtung dehnbare x-Federn (307) mit dem Substrat verbunden ist, wobei die Wippenmasse y-Gitterelektroden (315) aufweist, denen fest mit dem Substrat verbundene y-Substratelektroden (311) gegenüberstehen, wobei die y-Gitterelektroden und die y-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung der Wippenmasse in y-Richtung gestatten, wobei der äußere Rahmen x-Gitterelektroden (314) aufweist, denen fest mit dem Substrat verbundene x-Substratelektroden (310) gegenüberstehen, wobei die x-Gitterelektroden und die x-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung des äußeren Rahmens in x-Richtung gestatten.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wippenmasse über die z-Feder mit einem Rahmen (402) verbunden ist, wobei der Rahmen über eine Mehrzahl an äußeren Kanten des Rahmens angeordneter, in x- und y-Richtung dehnbarer x-y-Federn (407) mit dem Substrat verbunden ist, wobei die Wippenmasse y-Gitterelektroden (415) aufweist, denen fest mit dem Substrat verbundene y-Substratelektroden (411) gegenüberstehen, wobei die y-Gitterelektroden und die y-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung der Wippenmasse in y-Richtung gestatten, wobei der Rahmen x-Gitterelektroden (414) aufweist, denen fest mit dem Substrat verbundene x-Substratelektroden (410) gegenüberstehen, wobei die x-Gitterelektroden und die x-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung des Rahmens in x-Richtung gestatten.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Wippenmasse über die z-Feder mit einem Rahmen (502) verbunden ist, wobei die z-Feder in y-Richtung dehnbar ist, wobei der Rahmen über zwei, auf einander gegenüberliegenden Seiten des Rahmens angeordnete, in x-Richtung dehnbare x-Federn (507) mit dem Substrat verbunden ist, wobei die Wippenmasse y-Gitterelektroden (515) aufweist, denen fest mit dem Substrat verbundene y-Substratelektroden (511) gegenüberstehen, wobei die y-Gitterelektroden und die y-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung der Wippenmasse in y-Richtung gestatten, wobei der Rahmen x-Gitterelektroden (514) aufweist, denen fest mit dem Substrat verbundene x-Substratelektroden (510) gegenüberstehen, wobei die x-Gitterelektroden und die x-Substratelektroden eine Detektion einer Auslenkung des Rahmens in x-Richtung gestatten.
Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der Rahmen die Wippenmasse nicht vollständig umschließt.