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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche mikromechanischen Strukturen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
US 5 025 346 A ein mikromechanisches Bauelement bekannt, welches ein Trägersubstrat und eine seismische Masse aufweist, wobei die seismische Masse erste Elektroden und das Trägersubstrat zweite Elektroden umfassen und wobei die seismische Masse in einer Hauptbewegungsrichtung gegenüber dem Trägersubstrat beweglich ist. Die ersten und die zweiten Elektroden überlappen sich in einer zur Hauptbewegungsrichtung senkrechten Richtung in einer Haupterstreckungsebene des Trägersubstrats. Eine Bewegung der seismischen Masse bewirkt eine Veränderung der Überlappungsfläche, während der durchschnittliche Abstand entlang des Überlappungsbereichs zwischen den ersten und den zweiten Elektroden stets konstant bleibt.
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Die Druckschrift
DE 44 31 232 A1 offenbart ein integriertes Federmassesystem mit einer einzigen, in z-Richtung mindestens im Wesentlichen steifen und in x- und y-Richtung beweglichen Masse und mit einem außerhalb der Masse liegenden unbeweglichen Sockel, wobei gekrümmte oder auch geknickt ausgebildete Federungsstege zur Anbindung der Masse an den unbeweglichen Sockel vorgesehen sind. Die Druckschrift
DE 696 21 011 T2 offenbart eine Kondensatorstruktur für einen integrierten Schaltkreis mit verschränkt angeordneten und gestapelten Kammelektroden. Die Druckschrift
US 2008/0247029 A1 offenbart einen MEMS-Spiegel mit einem vertikalen Antrieb durch Kammelektroden, welche in einer anderen horizontalen Ebene positioniert sind. Die Druckschrift Hah, Dooyoung, et al.; ”Theory and experiments of angular vertical comb-drive actuators for scanning micromirrors”; Selected Topics in Quantum Electronics, IEEE Journal of 10.3, 2004, S 505–513 beschreibt Aktoren mit vertikalen Kammantrieben. Die Druckschrift
US 2006/0284514 A1 offenbart ebenfalls einen Aktor mit einer vertikalen Kammelektrodenstruktur. Die Druckschrift
EP 1 411 024 B1 offenbart ein 2-D Stellelement und ein dazugehöriges Herstellungsverfahren. Die Druckschrift
DE 600 12 217 T2 offenbart ein Frequenznormal mit einem integrierten mikromechanischen Ringresonator.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäßen mikromechanischen Strukturen und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer mikromechanischen Struktur gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der benötigte Bauraum für die mikromechanische Struktur deutlich reduziert wird. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine erheblich kostengünstigere Herstellung und eine vergleichsweise einfache Implementierung der mikromechanischen Struktur. Die Einsparung des benötigten Bauraums wird dadurch erzielt, dass die erste Fingerelektrode im Gegensatz zum Stand der Technik nicht ”neben” der zweiten Fingerelektrode (d. h. parallel zur Haupterstreckungsebene nebeneinander), sondern ”unterhalb” der zweiten Fingerelektrode (d. h. senkrecht zur Haupterstreckungsebene zwischen dem Substrat und den zweiten Fingerelektroden) angeordnet ist. Für die zweite Fingerelektrode wird dadurch parallel zur Haupterstreckungsebene keine zusätzliche Waferfläche benötigt. Eine Bewegung der seismischen Masse relativ zum Substrat führt dabei zu einer Veränderung einer Überdeckung zwischen der ersten und der zweiten Fingerelektrode senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung. Die erste und zweite Fingerelektrode fungieren zusammen insbesondere als Plattenkondensator, so dass sich durch eine Veränderung der Überdeckung die elektrische Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Fingerelektroden ändert (Änderung der Plattenkondensatorfläche). Die erste und die zweite Fingerelektrode sind somit als Antrieb für die seismische Masse einsetzbar, wobei durch eine Spannungsänderung zwischen der ersten und der zweiten Fingerelektroden eine Bewegung der seismischen Masse induziert wird. Alternativ sind die erste und zweite Fingerelektrode aber auch als Messmittel zur Detektion einer Bewegung der seismischen Massen einsetzbar, wobei in diesem Fall die durch die Bewegung der seismischen Masse veränderte elektrische Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Fingerelektrode ausgewertet wird. Besonders vorteilhaft tritt dabei im Vergleich zum Stand der Technik keine Quetschfilmdämpfung auf. Ferner ist eine Erzeugung von senkrecht zur Haupterstreckungsebene wirkenden Kompensationskräften durch die erste Fingerelektrode möglich, so dass unerwünschte Levitationsbewegungen der seismischen Masse, welche die Detektionspräzision beeinträchtigen, zumindest teilweise kompensiert werden. Die erste und die zweite Fingerelektrode sind insbesondere parallel zueinander ausgerichtet, wobei die seismische Masse vorzugsweise eine Hauptbewegungsrichtung aufweist, welche parallel zur Haupterstreckungsebene ausgerichtet ist und vorzugsweise parallel oder senkrecht zur ersten und zweiten Fingerelektrode ausgerichtet ist. Das Substrat umfasst bevorzugt Silizium, die seismische Masse epitaktisches Silizium und die ersten Fingerelektroden Polysilizium und/oder Metall.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Substrat dritte Fingerelektroden und die seismische Masse vierte Fingerelektroden aufweist, wobei die dritten und die vierten Fingerelektroden als ineinandergreifende Kammelektroden ausgebildet sind, wobei die dritten Fingerelektroden vorzugsweise mit den ersten Fingerelektroden elektrisch leitfähig verbunden sind. In vorteilhafter Weise wird somit die Empfindlichkeit bei der Detektion einer Bewegung der seismischen Masse und/oder beim Antrieb der seismischen Masse relativ zum Substrat um ein Vielfaches erhöht. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Bewegung der seismischen Masse relativ zum Substrat (in einer Hauptbewegungsrichtung parallel zu den ersten, zweiten und dritten Fingerelektroden) gleichzeitig zu einer Änderung einer weiteren Überdeckung zwischen den dritten und den vierten Fingerelektroden senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung und parallel zur Haupterstreckungsebene führt und darüberhinaus eine Veränderung der Überdeckung zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung bewirkt. Die Bewegung erzeugt somit eine Änderung der elektrischen Kapazität sowohl zwischen den ersten und zweiten Fingerelektroden, als auch zwischen den dritten und vierten Fingerelektroden. Besonders vorteilhaft wird daher ein effizienterer Antrieb der Bewegung und/oder eine genauere Detektion der Bewegung ermöglicht, ohne dass im Vergleich zum Stand der Technik zusätzliche Waferfläche benötigt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass aufgrund der höheren Effizienz des Antriebs die Antriebsspannung bei gleichbleibender Antriebsleistung reduzierbar ist, so dass beispielsweise eine einfachere Verschaltung und/oder kleiner Ladungspumpen auf dem Substrat ermöglicht werden. Die zweiten und die vierten Fingerstrukturen an der seismischen Masse, als auch die bezüglich der seismischen Masse feststehenden ersten und die dritten Fingerstrukturen sind vorzugsweise jeweils im rechten Winkel zueinander ausgerichtet.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mikromechanische Struktur mit einem eine Haupterstreckungsebene aufweisendem Substrat und einer relativ zum Substrat beweglichen seismischen Masse, wobei das Substrat dritte Fingerelektroden und die seismische Masse vierte Fingerelektroden aufweist, wobei die dritten und die vierten Fingerelektroden als ineinandergreifende Kammelektroden ausgebildet sind, wobei das Substrat ferner eine einzige erste Fingerelektrode und die seismische Masse eine einzige zweite Fingerelektrode aufweist und wobei die zweite Fingerelektrode im Wesentlichen entlang einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten Lotrichtung zumindest teilweise zwischen der ersten Fingerelektrode und dem Substrat angeordnet ist. Besonders bevorzugt umfasst die Sensoranordnung einen Stardardkammantrieb aus den dritten und vierten Fingerelektroden, wobei die Effizienz des Bewegungsantriebs und/oder die Effizienz der Bewegungsdetektion durch die zusätzliche erste und zweite Fingerelektrode erhöht wird, ohne dass dafür zusätzliche Waferfläche benötigt wird. Die erste und die zweite Fingerelektrode umfassen jeweils nur eine einzige Elektrode, so dass die Herstellung der ersten und zweiten Fingerelektrode vergleichsweise einfach und kostengünstig ist und keinerlei komplexe Strukturierung erfordert. Die erste Fingerelektrode ist insbesondere als Flächenelektrode in Form einer Leiterbahnfläche auf dem Substrat ausgebildet, während die zweite Fingerelektrode die Unterseite, d. h. die dem Substrat zugewandten Seite der seismischen Masse umfasst.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Überdeckung einer ersten Fingerelektrode durch eine Projektion einer zweiten Fingerelektrode entlang der Lotrichtung vorgesehen ist, wobei eine Änderung der Überdeckung in Abhängigkeit einer Bewegung der seismischen Masse relativ zum Substrat vorgesehen ist, so dass durch eine Bewegung der seismischen Masse relativ zum Substrat eine Änderung der Kondensatorfläche zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden erzeugt wird. In vorteilhafter Weise wird dadurch eine Bewegung der seismischen Masse in der Hauptbewegungsrichtung durch eine Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den ersten und zweiten Fingerelektroden messbar ist und/oder wird durch eine Änderung der elektrischen Spannung zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden eine Bewegung der seismischen Masse in Hauptbewegungsrichtung in Abhängigkeit der sich verändernden elektrischen Kapazität zwischen den ersten und zweiten Fingerelektroden induziert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die ersten Fingerelektroden sowohl erste Elektroden, als auch zweite Elektroden umfassen, wobei entlang der Hauptbewegungsrichtung die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden vorzugsweise alternierend angeordnet sind, wobei vorzugsweise die ersten Elektroden Antriebselektroden und die zweiten Elektroden Detektionselektroden umfassen oder die ersten Elektroden erste Detektionselektroden und die zweiten Elektroden zweite Detektionselektroden umfassen oder die ersten Elektroden erste Antriebselektroden und die zweiten Elektroden zweite Antriebselektroden umfassen. Besonders vorteilhaft werden somit die ersten Fingerelektroden in Antriebselektroden und Detektionselektroden unterteilt, so dass durch die Antriebselektroden die seismische Masse zu einer Bewegung entlang der Hauptbewegungsrichtung antreibbar ist, wobei die Bewegung der seismischen Masse gleichzeitig von den Detektionselektroden messbar ist. Die Hauptbewegungsrichtung ist in diesem Fall vorzugsweise senkrecht zu den ersten und zweiten Fingerelektroden ausgerichtet. Dies ist insbesondere bei der Integration der mikromechanischen Struktur in Drehratensensoren besonders wichtig, da bei Drehratensensoren häufig nicht nur die seismische Masse angetrieben, sondern auch die Schwingungsgeschwindigkeit der seismischen Masse detektiert werden muss, da die die Coriolisbeschleunigung und somit das gemessene Drehratensignal von der tatsächlichen Schwingungsbewegung der seismischen Masse abhängig ist. Alternativ werden die ersten Fingerelektroden in vorteilhafter Weise in erste und zweite Detektionselektroden unterteilt, so dass eine differenzielle Auswertung der Bewegungsdetektion ermöglicht wird. In einer weiteren alternativen Ausführungsform werden die ersten Fingerelektroden in erste und zweite Antriebselektroden unterteilt, so dass in vorteilhafter Weise die ersten und zweiten Antriebselektroden mit um 180° phasenverschobenen Antriebssignalen ansteuerbar sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die ersten Fingerelektroden Leiterbahnen umfassen, welche insbesondere auf einer Substratoberfläche angeordnet sind. Besonders vorteilhaft sind die ersten Fingerelektroden dadurch vergleichsweise kostengünstig in Standard-Halbleiterverfahren herstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur ein Antriebsmittel und/oder ein Detektionsmittel für einen Sensor, bevorzugt für einen Beschleunigungssensor und besonders bevorzugt für einen Drehratensensor umfasst, so dass in vorteilhafter Weise der benötigte Bauraum der Sensoren im Vergleich zum Stand der Technik reduzierbar ist oder durch eine gleichzeitige Implementierung der ersten und der dritten Elektrodenfinger eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Sensorempfindlichkeit ohne zusätzlichen Bauraum erzielbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mikromechanische Struktur eine Mehrzahl von ersten Fingerelektroden und eine Mehrzahl von zweiten Fingerelektroden aufweist, wobei bevorzugt die Mehrzahl von ersten Fingerelektroden und/oder die Mehrzahl von zweiten Fingerelektroden jeweils als Kammstrukturen ausgebildet sind, so dass in vorteilhafter Weise die Effizienz des Antriebs der Bewegung und/oder der Bewegungsdetektion erhöht wird.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer mikromechanischen Struktur, wobei eine Antriebsspannung zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden zur Erzeugung einer Bewegung der seismischen Masse angelegt wird, wobei durch die Bewegung eine Änderung der Überlappung erzeugt wird, wobei die Antriebsspannung insbesondere zwischen den Antriebselektroden und den zweiten Fingerelektroden angelegt wird. Die auf die seismische Masse wirkende Antriebskraft hängt von der Antriebsspannung und von der sich durch die Bewegung ändernden elektrischen Kapazität zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden ab. Die elektrische Kapazität ändert sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik durch eine Änderung der Überlappung senkrecht zur Haupterstreckungsebene, so dass die ersten Fingerelektroden zwischen dem Substrat und den zweiten Fingerelektroden anzuordnen sind und damit eine vergleichsweise bauraumkompakte Realisierung der mikromechanischen Struktur ermöglicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebsspannung ferner zwischen den dritten und den vierten Fingerelektroden angelegt wird. In vorteilhafter Weise wird somit die Effizienz des Antriebs erheblich erhöht, da sowohl die ersten, als auch die dritten Fingerelektroden gleichzeitig als Antriebselektroden fungieren.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer mikromechanischen Struktur, wobei zwischen den ersten und den zweiten Fingerelektroden eine Kapazitätsänderung zur Detektion einer Bewegung der seismischen Masse abgegriffen wird, wobei insbesondere eine differentielle Auswertung der Bewegung der seismischen Masse mittels eines Abgriffs einer ersten Kapazitätsänderung zwischen den ersten Detektionselektroden und den zweiten Fingerelektroden und eines zweiten Abgriffs einer zweiten Kapazitätsänderung zwischen den zweiten Detektionselektroden und den zweiten Fingerelektroden durchgeführt wird. Besonders vorteilhaft ist somit eine Auswertung und insbesondere eine vergleichsweise präzise differentielle Auswertung der Bewegung der seismischen Masse relativ zum Substrat möglich, wobei gleichzeitig der benötigte Bauraum der mikromechanischen Struktur reduzierbar ist. Die differentielle Auswertung wird durch eine Differenzbildung zwischen einer Spannung des ersten Abgriffs und einer Spannung des zweiten Abgriffs ermittelt, so dass sich ungewünschte Störeinflüsse der Messung gegenseitig kompensieren. Die ersten und zweiten Detektionselektroden sind dazu derart angeordnet, dass bei einer Bewegung der seismischen Masse die Überdeckung zwischen einer zweiten Elektrode mit einer ersten Detektionselektrode größer wird, während die Überdeckung zwischen dieser zweiten Elektrode mit der entsprechenden zweiten Detektionselektrode kleiner wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine weitere Kapazitätsänderung zwischen den dritten und den vierten Fingerelektroden abgegriffen wird. Die Detektionsempflndlichkeit wird somit in erheblicher Weise erhöht, da sowohl die ersten, als auch die dritten Detektionselektrode zur Detektion der Bewegung genutzt werden.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden 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 Aufsicht einer mikromechanischen Struktur gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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3 eine schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine schematische Aufsicht einer mikromechanischen Struktur 1' gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei die mikromechanische Struktur 1' ein eine Feststruktur 50 aufweisendes Substrat 52 und eine seismische Masse 60 aufweist, wobei die Feststruktur 50 Festelektroden 51 und die seismische Masse 60 Gegenelektroden 61 aufweist und wobei die seismische Masse 60 gegenüber der Feststruktur 50 in einer Hauptbewegungsrichtung 62 beweglich ist. Die Darstellung zeigt die mikromechanische Struktur 1' in einer Ruhelage, wobei sich die Projektion der Gegenelektroden 61 mit der Projektion der Festelektroden 51 jeweils senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung 62 und parallel zur Haupterstreckungsebene 100 überlappen. Die Festelektroden 51 und die Gegenelektroden 61 sind als ineinandergreifende Kammelektroden ausgebildet, welche parallel zu einer Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 52 im Wesentlichen in einer Ebene liegen, wobei eine Bewegung der seismischen Masse 60 parallel zur Hauptbewegungsrichtung 62 eine Änderung der Überlappung zwischen den Festelektroden 51 und den Gegenelektroden 61 senkrecht zur Hauptbewegungsrichtung 62 und parallel zur Haupterstreckungsebene 100 bewirkt, so dass sich die elektrische Kapazität zwischen den Festelektroden 51 und den Gegenelektroden 61 ändert. Die mikromechanische Struktur 1' kann sowohl zum Antrieb der beweglichen Masse 60 zur einer Bewegung relativ zum Substrat 52, als auch zur Detektion einer Bewegung der seismischen Masse 60 relativ zum Substrat 52 dienen.
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In 2 ist eine schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die mikromechanische Struktur 1 ein Substrat 2 und eine seismische Masse 3 aufweist. Die seismische Masse 3 umfasst in der Darstellung der 2 beispielhaft eine einzige zweite Fingerelektrode 31, welche zusammen mit der seismischen Masse 3 entlang einer Hauptbewegungsrichtung 102 relativ zum Substrat 2 und parallel zu der ersten und der zweiten Fingerelektrode 21, 31 beweglich angeordnet ist, wobei die Hauptbewegungsrichtung 102 senkrecht zur Ausrichtung der zweiten Fingerelektroden 21 und parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung 100 des Substrats 2 ist. Das Substrat 2 umfasst in der Darstellung der 2 beispielhaft eine einzige erste Fingerelektrode 21, welche entlang einer zur Haupterstreckungsrichtung 100 senkrechten Lotrichtung 101 im Wesentlichen zwischen dem Substrat 2 und der zweiten Fingerelektrode 31 angeordnet ist, so dass die erste und die zweite Fingerelektrode 21, 31 parallel zur Lotrichtung 101 eine gemeinsame Überdeckung 4 aufweisen. Die Größe der Überdeckung ist abhängig von der Position der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 2. Eine Bewegung der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 3 führt daher zu einer Änderung der elektrischen Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Fingerelektrode 21, 31, wobei die Bewegung durch eine Auswertung der Änderung der elektrischen Kapazität messbar ist. Alternativ kann durch das Anlegen einer geeigneten Antriebsspannung zwischen die ersten und die zweiten Fingerelektroden 21, 31 die seismische Masse 3 relativ zum Substrat 2 entlang der Hauptbewegungsrichtung 102 bewegt werden.
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In 3 ist eine schematische Perspektivansicht einer mikromechanischen Struktur 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen identisch der in 2 dargestellten ersten Ausführungsform ist, wobei die seismische Masse 3 eine Mehrzahl von zweiten Fingerelektroden 31 aufweist, welche als Kammstruktur ausgebildet sind, und wobei das Substrat 2 entsprechend eine Mehrzahl von ersten Fingerelektroden 21 aufweist. Die ersten Fingerelektroden 21 sind dabei in erste und zweite Elektroden 22, 23 unterteilt, welche entlang der Hauptbewegungsrichtung 102 alternierend angeordnet sind. Die ersten Elektroden 22 umfassen vorzugsweise erste Detektionselektroden 22' und die zweiten Elektroden 23 umfassen vorzugsweise zweite Detektionselektroden 23'. Dabei ist eine zweite Fingerelektrode 31' genau einer ersten und einer zweite Detektionselektrode 22', 23' zugeordnet, so dass sich bei einer Bewegung der seismischen Masse 3 relativ zum Substrat 2 und senkrecht zu den ersten und zweiten Fingerelektroden 21, 31 eine erste Überdeckung 4' zwischen der einen zweiten Fingerelektrode 31' und der ersten Detektionselektrode 22' vergrößert, während sich eine zweite Überdeckung 4'' zwischen der einen zweiten Fingerelektrode 31' und der zweiten Detektionselektrode 23' verkleinert. Die Messung der Änderung der entsprechenden ersten und zweiten elektrischen Kapazitäten kann durch eine elektronische Auswerteschaltung erfolgen, wobei vorteilhafterweise eine differentielle Auswertung durch Abgreifen entsprechender erster und zweiter elektrischer Kapazitäten und durch Subtraktion der ersten und zweiten elektrischen Kapazitäten voneinander erfolgt.
