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Die
Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Herstellungsverfahren
für eine
derartige Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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Um
eine auf einen beweglichen Körper
wirkende Drehbeschleunigung und/oder Linearbeschleunigung festzustellen,
wird häufig
ein Inertialsensor an dem beweglichen Körper angebracht.
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1A und 1B zeigen
einen Querschnitt und eine Draufsicht zum Darstellen eines herkömmlichen
Inertialsensors.
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Der
schematisch dargestellte Inertialsensor ist als Beschleunigungssensor 10 dazu
ausgebildet, eine in eine Richtung 12 senkrecht zu einem
Substrat 14 ausgerichtete lineare Beschleunigung des Beschleunigungssensors 10 festzustellen
und eine der Beschleunigung entsprechende Größe festzulegen. Das Substrat 14 bildet
zusammen mit einem Rahmenteil 16 und einem Kappenwafer 18 ein
Gehäuse des
Beschleunigungssensors 10, welches ein Innenvolumen 20 umgibt.
Der Kappenwafer 18 ist über eine
Sealglas-Schicht 22 an dem Rahmenteil 16 befestigt.
Zwischen dem Substrat 14 und dem Rahmenteil 16 sind
Restbereiche einer Isolierschicht 24 und einer Metall-
und/oder Halbleiterschicht 26 angeordnet.
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In
dem Innenvolumen 20 ist eine seismische Masse 28 des
Beschleunigungssensors 10 angeordnet. In 1B ist
eine Draufsicht auf eine Unterseite 30 der seismischen
Masse 28 dargestellt. Die über vier Biegefedern 32 mit
einer Verankerung 34 verbundene seismische Masse 28 ist
als antisymmetrische Wippe ausgebildet, welche im Bezug auf das Gehäuse des
Bescheunigungssensors 10 um eine Drehachse 36 drehbar
ist. Die seismische Masse 28 weist eine in Bezug auf die
Drehachse 36 antisymmetrische Masseverteilung auf. Die
Biegesteifigkeit der Biegefedern 32 ist so festgelegt,
dass die lineare Beschleunigung des Bescheunigungssensors 10 in Richtung 12 eine
Bewegung der seismischen Masse 28 aus ihrer Ausgangsstellung
um die Drehachse 36 in Bezug auf das Gehäuse des
Beschleunigungssensors 10 bewirkt.
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Um
die Bewegung der seismischen Masse 28 aus ihrer Ausgangsstellung
um die Drehachse 36 zu ermitteln, weist der Beschleunigungssensor 10 Detektionselektroden 38a und 38b auf,
welche benachbart zu der Unterseite 30 fest gegenüber dem Gehäuse aus
den Komponenten 14 bis 18 angeordnet sind. Die
Detektionselektroden 38a und 38b sind über Teilbereiche
der Isolierschicht 24 von dem Substrat 14 elektrisch
isoliert.
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Erfährt der
Beschleunigungssensor 10 eine Beschleunigung in Richtung 12,
so verändern
sich aufgrund der antisymmetrischen Masseverteilung der seismischen
Masse 28 in Bezug auf die Drehachse 36 die mittleren
Abstände
d1 und d2 zwischen der Unterseite 30 und den Detektionselektroden 38a und 38b.
Die Kapazitäten
eines aus der Detektionselektrode 38a und einer Teilfläche der
Unterseite 30 gebildeten ersten Kondensators und eines
aus der zweiten Detektionselektrode 38b und einer weiteren
Teilfläche
der Unterseite 30 gebildeten zweiten Kondensators ändern sich
entsprechend der Veränderungen der
mittleren Abstände
d1 und d2. Über
ein Auswerten der Kapazitäten
der Kondensatoren lässt
sich somit eine Größe der Beschleunigung
in Richtung 12 festlegen. Da Verfahren zum Auswerten der
Kapazitäten
der Kondensatoren des Beschleunigungssensors 10 aus dem
Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
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Um
ein verlässliches
Ermitteln einer Stellung der seismischen Masse 28 in Bezug
auf das Gehäuse
des Beschleunigungssensors 10 zu ermöglichen, ist es vorteilhaft,
die mittleren Abstände
d1 und d2 möglichst
klein zu halten. Dies führt
jedoch zu dem Risiko, dass Bereiche der seismischen Massen 28 bei
einer signifikanten Beschleunigung in Richtung 12 an das
Gehäuse
des Beschleunigungssensors 10 anschlagen. Um einen großflächigen Kontakt
zwischen der seismischen Masse 28 und dem Gehäuse des
Beschleunigungssensors 10 bei einem Anschlagen der seismischen
Masse 28 zu verhindern, sind hervorstehende Anschläge 40 an
der Unterseite 30 ausgebildet. Zusätzlich sind an dem Substrat 14 Anschlagelektroden 42a und 42b befestigt,
welche über Restbereiche
der Isolierschicht 24 von dem Substrat 14 elektrisch
isoliert sind. Der Kontakt zwischen der seismischen Masse 28 und
dem Gehäuse
des Beschleunigungssensors 10 ist damit auf einen Kontakt zwischen
einem Anschlag 40a oder 40b und einer Anschlagelektrode 42a oder 42b beschränkt.
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Allerdings
besteht die Möglichkeit,
dass aufgrund von einer mechanischen Überlast der Anschlag 40a oder 40b so
stark an eine Anschlagelektrode 42a oder 42b anschlägt, dass
der Anschlag 40a oder 40b an der Anschlagelektrode 42a oder 42b hängen bleibt.
Man bezeichnet dies als Stiction des Anschlags 40a oder 40b an
der Anschlagelektrode 42a oder 42b. Des Weiteren
kann bei einer starken Überlast
zumindest ein Teilbereich des Anschlags 40a oder 40b von
der seismischen Masse 28 abbrechen, was häufig als
Partikelbildung bei einem Anschlagen des Anschlags 40a oder 40b an
der Anschlagelektrode 42a oder 42b bezeichnet
wird. Es ist erwünschenswert, über eine
Möglichkeit
zu verfügen, mittels
welcher eine Stiction und/oder eine Partikelbildung bei einer gattungsgemäßen Sensorvorrichtung
verhinderbar sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung schafft eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und ein Herstellungsverfahren für eine Sensorvorrichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass über die
federnde Ausbildung des mindestens einen hervorstehenden Anschlags
in Bezug auf den verstellbaren Restbereich der seismischen Masse
die beim Anschlagen des mindestens einen Anschlags freigesetzte
kinetische Energie in Biegeenergie für ein reversibles Biegen der
mindestens einen Feder umsetzbar ist. Auf diese Weise lässt sich
die im Überlastfall
freigesetzte kinetische Energie soweit reduzieren, dass eine Stiction
der seismischen Masse und/oder eine Partikelbildung verhindert werden.
Eine geeignete federnde Ausbildung des mindestens einen Anschlags
ist gewährleistet,
wenn der federnde Bereich mit dem mindestens einen Anschlag über die
mindestens eine Feder mit dem Restbereich verbunden ist. Beispielsweise ist
der einen Anschlag als federnder Bereich ausgebildet.
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Unter
der mindestens einen Feder, welche den federnden Bereich mit dem
Restbereich verbindet, ist keine Biegefeder, über welche die seismische Masse
mit zumindest der Grundplatte verbunden ist, zu verstehen. Während die
mindestens eine Biegefeder bei einer Verstellbewegung der seismischen Masse
verformt wird, wird die mindestens eine Feder mit dem Restbereich
und dem federnden Bereich entsprechend der Verstellbewegung der
seismischen Masse mitbewegt, ohne eine Verformung zu erfahren, sofern
der Anschlag nicht an die Grundplatte oder eine Untereinheit des
Gehäuses
anstößt.
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Unter
der seismischen Masse mit der Oberseite und der Unterseite ist eine
seismische Masse zu verstehen, bei welcher eine Höhe zwischen
der Oberseite und der Unterseite deutlich kleiner als eine maximale
Ausdehnung der Oberseite und der Unterseite ist. Die seismische
Masse lässt
sich auch als flächig
ausgebildete seismische Masse bezeichnen. Die Form der seismischen
Masse entspricht beispielsweise einer Scheibe oder einem flachen
Quader.
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Der
mindestens eine federnde Bereich und der mindestens eine verstellbare
Restbereich sind so an oder auf der Grundplatte angeordnet, dass
sie bei dem Beschleunigen der Grundplatte in die zu der Oberseite
und/oder der Unterseite nicht-parallel ausgerichtete Richtung verstellbar
sind. Allerdings muss die Verstellbewegung des mindestens einen
federnden Bereichs mit dem mindestens einen Anschlag nicht der Verstellbewegung
des mindestens einen verstellbaren Restbereichs entsprechen.
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Die
auf die Grundplatte wirkende Beschleunigung kann eine Linearbeschleunigung
und/oder eine Drehbeschleunigung sein. Die Beschleunigung kann auch
ein Drehmoment sein, durch welches ein Körper in einer gleichmäßigen Drehbewegung
gehalten wird. Die Grundplatte kann linear und/oder radial beschleunigt
werden. Unter der Ausgangsstellung der Oberseite und/oder der Unterseite
der seismischen Masse kann eine Ruhestellung und/oder eine Stellung
einer Relativbewegung, in welche die seismische Masse in Bezug auf
die Grundplatte versetzt wird, beispielsweise zum Ermitteln einer
Corioliskraft, verstanden werden.
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Die
Information bezüglich
der Beschleunigung, welche über
die vorliegende Erfindung festlegbar ist, kann beispielsweise ein
Betrag einer Linearbeschleunigung, eine Drehgeschwindigkeit und/oder eine
Drehrate sein. Als Information bezüglich der Beschleunigung kann
auch eine Zentrifugalkraft oder eine Zentripetalkraft festgelegt
werden.
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Die
Erfindung umfasst auch die Implementierung von federnden Anschlägen in eine
seismische Masse eines Inertialsensors, welcher für ein Detektieren
einer Verstellbewegung der seismischen Masse senkrecht zu seiner
Substratebene ausgelegt ist. Dabei werden die Anschläge über eine
Federstruktur an den mindestens einen verstellbaren Restbereich der
seismischen Masse angebunden. Die Federstruktur kann die Energie
bei der Überlast
aufnehmen und anschließend
wieder abgeben, wodurch eine Stiction oder eine Partikelbildung
verhindert wird. Dies ist insbesondere bei einer Sensorvorrichtung, bei
welcher die seismische Masse über
mindestens eine vergleichsweise weiche Biegefeder mit der Grundplatte
verbunden ist, wie beispielsweise bei einem Nieder-g-Sensor, vorteilhaft.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die seismische Masse in Bezug auf die Grundplatte um eine Drehachse
drehbar. Die vorliegende Erfindung ist somit auch auf eine Sensorvorrichtung
anwendbar, bei welcher die seismische Masse durch eine Beschleunigung
der Grundplatte oder durch eine auf die Grundplatte wirkende Kraft
um die Drehachse gedreht wird. Als Alternative dazu kann die seismische Masse
auch so an oder auf der Grundplatte angeordnet sein, dass die seismische
Masse im Bezug auf die Grundplatte in eine Linearbewegung versetzbar ist.
Vorzugsweise ist die Linearbewegung der seismischen Masse senkrecht
zu einem als Grundplatte ausgerichteten Substrat, welches eine Untereinheit eines
Gehäuses
sein kann, gerichtet.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist die seismische Masse als Wippe
mit einer in Bezug auf die Drehachse antisymmetrischen Masseverteilung ausgebildet.
Eine derartige seismische Masse ist gut dazu geeignet, im Zusammenwirken
mit der Detektions- und Auswerteeinrichtung Linearbeschleunigungen
zu ermitteln.
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Insbesondere
kann die mindestens eine Feder, über
welche der mindestens eine Anschlag mit der seismischen Masse verbunden
ist, U-förmig, V-förmig, linien förmig und/oder
mäanderförmig ausgebildet
sein. Eine U-förmig,
V-förmig
und/oder mäanderförmig Feder
kann bei einem vergleichsweise geringen Durchmesser des von der
Feder eingenommenen Volumens eine relativ große Länge aufweisen. Auf diese Weise
kann eine kinetische Energie, welche beim Anstoßen des mindestens einen Anschlags
in Biegeenergie umgewandelt wird, über eine vergleichsweise große Gesamtlänge der
Feder verteilt werden. Somit kann ein Verbiegen oder Brechen der
Feder verlässlich
verhindert werden. Des Weiteren ist eine linienförmige Feder leicht herstellbar.
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Insbesondere
kann der mindestens eine Anschlag über mindestens zwei symmetrisch
zu einer parallel zu der Oberseite und/oder der Unterseite verlaufenden
Symmetrieachse ausgebildeten Federn mit der seismischen Masse verbunden
sein. Durch die symmetrische Ausbildung der mindestens zwei Federn
ist eine gleichmäßige Verteilung
der in Biegeenergie umgewandelten kinetischen Energie auf die mindestens
zwei Federn gewährleistet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind an einer an
der Oberseite oder der Unterseite der seismischen Masse angeordneten
Außenfläche des
federnden Bereichs mindestens zwei hervorstehende Anschläge angeordnet.
Somit können mittels
der mindestens einen Feder mehrere Anschläge federnd ausgebildet werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Sensorvorrichtung ein Beschleunigungssensor sein. Insbesondere ist
bei einem Nieder-g-Sensor durch die vorliegende Erfindung gewährleistet,
dass aufgrund des reduzierten Risikos einer Stiction die seismische
Masse über mindestens
eine Biegefeder mit einer Vergleichsweise geringen Rückstellkraft
mit der Grundplatte oder einer Untereinheit des Gehäuses verbindbar
ist.
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Als
Alternative dazu kann die Sensorvorrichtung ein Drehratensensor
sein. Da die mindestens eine Biegefeder eines Drehratensensors gewährleisten
muss, dass die seismische Masse sowohl in eine Relativbewegung als
auch in eine zusätzliche
Verstellbewegung verstellbar ist, ist es vorteilhaft, wenn die Biegefeder
eine geringe Rückstellkraft
aufweist.
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Die
in den oberen Absätzen
beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren
für eine
Sensorvorrichtung gewährleistet.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Herstellungsverfahren
die zusätzlichen
Schritte umfassen: Bilden einer Schichtenfolge aus einem Substrat,
einer das Substrat zumindest teilweise abdeckenden Isolierschicht,
einer die Isolierschicht zumindest teilweise abdeckenden Halbleiter-
und/oder Metallschicht und einer die Halbleiter- und/oder Metallschicht
zumindest teilweise abdeckenden mikromechanischen Funktionsschicht,
Herausstrukturieren mindestens einer Elektrode als Untereinheit
der Detektions- und Auswerteeinrichtung aus der Halbleiter- und/oder
Metallschicht, und Herausstrukturieren zumindest der seismischen
Masse, des mindestens einen Anschlags und der mindestens einen Feder
aus der mikromechanischen Funktionsschicht. Die Sensorvorrichtung
kann somit auf einfache Weise über vergleichsweise
wenige Arbeitsschritte hergestellt werden. Insbesondere können die
Federn gleichzeitig mit den Biegefedern hergestellt werden. Die
federnde Ausbildung der Anschläge
ist somit nicht mit zusätzlichen
Arbeitsschritten verbunden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1A und 1B einen
Querschnitt und eine Draufsicht zum Darstellen eines herkömmlichen Inertialsensors;
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2 eine
Draufsicht auf eine Unterseite einer seismischen Masse zum Darstellen
einer ersten Ausführungsform
der Sensorvorrichtung;
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3 eine
Draufsicht auf eine Teiloberfläche einer
Unterseite einer seismischen Masse zum Darstellen einer zweiten
Ausführungsform
der Sensorvorrichtung;
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4 eine
Draufsicht auf eine Unterseite einer seismischen Masse zum Darstellen
einer dritten Ausführungsform
der Sensorvorrichtung; und
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5 ein
Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens
für eine
Sensorvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2 zeigt
eine Draufsicht auf eine Unterseite einer seismischen Masse zum
Darstellen einer ersten Ausführungsform
der Sensorvorrichtung.
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Die
als Wippe ausgebildete seismische Masse 50 ist über die
Biegefedern 52 und eine Verankerung 54 an einer
Grundplatte der Sensorvorrichtung befestigt. Die Grundplatte kann
eine Untereinheit eines Gehäuses
der Sensorvorrichtung sein. Die hier beschriebene Erfindung ist
jedoch nicht auf eine in einem luftdichten Gehäuse angeordnete seismische Masse 50 beschränkt.
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Die
Biegefedern 52 und die Verankerung 54 können einstückig mit
der seismischen Masse 50 ausgebildet sein. Beispielsweise
werden zumindest die vier Biegefedern 52, die Verankerung 54 und
die seismische Masse 50 aus einer einzigen mikromechanischen
Funktionsschicht herausstrukturiert. Es wird hier jedoch darauf
hingewiesen, dass die hier beschriebene Sensorvorrichtung nicht
auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnung der Biegefedern 52 und/oder
der mindestens einen Verankerung 54 beschränkt ist.
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Zwischen
der Verankerung 54 und der Grundplatte kann noch mindestens
eine Zwischenschicht, beispielsweise Restbereiche einer Isolierschicht
und/oder einer Metall- und/oder Halbleiterschicht, angeordnet sein.
Die seismische Masse 50 weist eine zu der Grundplatte ausgerichtete
Unterseite 58 und eine (nicht skizzierte) Oberseite auf.
Die seismische Masse 50 ist so geformt, dass eine Höhe zwischen
der Oberseite und der Unterseite 58 deutlich kleiner als
eine maximale Ausdehnung der Oberseite und/oder der Unterseite 58 ist.
Man kann dies auch als flächige
Ausbildung der seismischen Masse 50 umschreiben.
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Die
als Wippe ausgebildete seismische Masse 50 weist in Bezug
auf eine Drehachse 56 eine antisymmetrische Masseverteilung
auf. Die Drehachse 56 unterteilt die seismische Masse 50 in
eine erste Teilmasse 50a und eine zweite Teilmasse 50b,
welche schwerer als die erste Teilmasse 50a ist. Beispielsweise
weist die erste Teilmasse 50a eine erste mittlere Breite
b1 senkrecht zu der Drehachse 56 auf, welche kleiner als
eine senkrecht zu der Drehachse 56 ausgerichtete zweite
mittlere Breite b2 der zweiten Teilmasse 50b ist. Als Alternative
oder als Ergänzung dazu
ist die antisymmetrische Masseverteilung der seismischen Masse 50 auch
mittels einer zusätzlichen
Beschichtung der zweiten Teilmasse 50b im Vergleich zu
der ersten Teilmasse 50a realisierbar.
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In
einer Ausgangsstellung der seismischen Masse 50 ist die
Unterseite 58 vorzugsweise parallel zu der Grundplatte
ausgerichtet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die seismische
Masse 50 in ihrer Ausgangsstellung parallel zur xy-Ebene angeordnet.
Erfährt
die Grundplatte eine Beschleunigung mit einer Komponente senkrecht
zu der Grundplatte, so wird die seismische Masse 50 aufgrund
ihrer antisymmetrischen Masseverteilung in eine senkrecht zu der
Ausgangsstellung der Unterseite 58 und zu der Grundplatte
ausgerichtete Richtung verstellt. Insbesondere wird bei der hier
dargestellten Ausführungsform
die seismische Masse 50 um eine Drehachse 56 gekippt.
Das Verkippen der seismischen Masse 50 um die Drehachse 56 erfolgt
unter einem Biegen der Biegefedern 52.
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Eine
erste Teilfläche
der ersten Teilmasse 50a und eine zweite Teilfläche der
zweiten Teilmasse 50b, welche auf der Unterseite 58 liegen,
dienen als Elektroden der seismischen Masse 50. Benachbart zu
der ersten Teilfläche
ist eine erste Detektionselektrode 60a fest in Bezug auf
die Grundplatte angeordnet. Eine zweite Detektionselektrode 60b ist
benachbart zu der zweiten Teilfläche
der zweiten Teilmasse 50b an der Grundplatte befestigt.
Die gestrichelten Linien geben in 2 die Positionen
der beiden Detektionselektroden 60a und 60b wieder.
Die beiden Detektionselektroden 60a und 60b werden
in ihrer Stellung in Bezug auf die Grundplatte durch ein Verkippen
der seismischen Masse 50 um die Drehachse 56 nicht
beeinflusst.
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Die
erste Teilfläche
und die erste Detektionselektrode 60a bilden einen ersten
Kondensator einer Detektions- und Auswerteeinrichtung der Sensorvorrichtung.
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Ein
zweiter Kondensator der Detektions- und Auswerteeinrichtung setzt
sich aus der zweiten Teilfläche
und der zweiten Detektionselektrode 60b zusammen. Wird
die seismische Masse 50 aufgrund eines Beschleunigens der
Grundplatte aus ihrer Ausgangsstellung um die Drehachse 56 verstellt,
so ändern
sich die Kapazitäten
des ersten und des zweiten Kondensators. Die Detektions- und Auswerteeinrichtung
ist dazu ausgelegt, die Kapazitätsänderungen an
den beiden Kondensatoren zu ermitteln und anschließend unter
Berücksichtung
der Kapazitätsänderungen
eine Information bezüglich
der Beschleunigung der Grundplatte und/oder einer auf die Sensorvorrichtung
wirkenden Kraft festzulegen. Die festgelegte Information kann beispielsweise
ein Betrag einer senkrecht zu der Grundplatte ausgerichteten Komponente
der Beschleunigung sein. Da Verfahren zum Festlegen einer Information
bezüglich
einer Beschleunigung und/oder einer auf eine Sensorvorrichtung wirkenden
Kraft anhand einer Kapazitätsänderung
bekannt sind, wird nicht weiter auf die Funktionsweise der Detektions-
und Auswerteeinrichtung eingegangen.
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Um
ein verlässliches
Ermitteln der Verstellbewegung der seismischen Masse 50 in
Bezug auf die Grundplatte zu gewährleisten,
ist es vorteilhaft, wenn die Ausgangsstellung der seismischen Masse 50 so
festgelegt ist, dass die erste Teilfläche einen relativ kleinen ersten
mittleren Abstand zu der ersten Detektionselektrode 60a aufweist
und die zweite Teilfläche
einen ebenso kleinen zweiten mittleren Abstand zu der zweiten Detektionselektrode 60b aufweist.
Gleichzeitig ist es von Vorteil, wenn die einem Verkippen der seismischen
Masse 50 aus ihrer Ausgangsstellung entgegenwirkenden Rückstellkräfte der
Biegefedern 52 vergleichsweise klein sind, um somit auch
bei einem geringen Betrag der Beschleunigung eine signifikante Verstellbewegung
der seismischen Masse um die Drehachse 56 zu gewährleisten.
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Insbesondere
bei kleinen mittleren Abständen
zwischen den Teilflächen
und den Detektionselektroden 60a und 60b und/oder
bei einer geringen Biegesteifigkeit der Biegefedern 52 besteht
die Möglichkeit,
dass die seismische Masse bei einem Verkippen um die Drehachse 56 an
die Grundplatte oder einer in Bezug auf die Grundplatte fest angeordneten Komponente
der Sensorvorrichtung anstoßen
kann. Um eine Kontaktfläche
der seismischen Masse 50 und einer Anstoßfläche bei
dem Anstoßen
zu minimieren, ist es vorteilhaft, mindestens einen an der Unterseite 58 hervorstehenden
Anschlag 62a und 62b auszubilden. Vorteilhafter weise
sind mindestens ein erster Anschlag 62a an der ersten Teilmasse 50a und
mindestens ein zweiter Anschlag 62a an der zweiten Teilmasse 50b angeordnet.
Insbesondere können
mehrere Anschläge 62a und 62b an
mindestens einer Teilmasse 50a oder 50b befestigt
sein. Es ist vorteilhaft, bei mindestens drei Anschlägen 62a oder 62b an
einer Teilmasse 50a oder 50b die Abstände zwischen
zwei benachbarten Anschlägen 62a oder 62b gleich
zu wählen.
Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Druckverteilung
bei einem Anstoßen der
Anschläge 62a oder 62b an
der Grundplatte und/oder an der fest angeordneten Komponente der Sensorvorrichtung
gewährleistet.
Insbesondere können
die Anschläge 62a oder 62b einer
Teilmasse 50a oder 50b einen gemeinsamen Abstand
von der Drehachse 56 aufweisen. Vorteilhafterweise stehen
die auf der Unterseite 58 angeordneten Anschläge 62a und 62b in
z-Richtung hervor.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
sind eine erste Anschlagelektrode 64a und eine zweite Anschlagelektrode 64b direkt
oder indirekt an der Grundplatte angeordnet. In 2 gegeben
die gestrichelten Linien die Positionen der beiden Anschlagelektroden 64a und 64b wieder.
Die Positionen der Anschlagelektroden 64a und 64b sind
so gewählt, dass
bei einem Verkippen der seismischen Masse 50 um die Drehachse 56 der
mindestens eine erste Anschlag 62a an die erste Anschlagelektrode 64a und der
mindestens eine zweite Anschlag 62b an die zweite Anschlagelektrode 64b anschlagen
kann. Die Anschlagelektroden 64a und 64b können gemeinsam
mit den Detektionselektroden 60a und 60b aus einer
einzigen Halbleiter- und/oder Metallschicht herausstrukturiert werden.
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Beim
Anstoßen
eines Anschlags 62a oder 62b an eine Anschlagelektrode 64a oder 64b wird eine
kinetische Energie in Verformungsenergie umgewandelt. Um eine Stiction
des Anschlags 62a oder 62b an der zugehörigen Anschlagelektrode 64a oder 64b und/oder
eine Partikelbildung zu verhindern, ist es vorteilhaft, den mindestens
einen Anschlag 62a oder 62b der seismischen Masse 50 über mindestens
eine Feder 66 mit der seismischen Masse 50 zu verbinden.
Man kann dies als federnde Ausbildung der in z-Richtung an der Unterseite 58 hervorstehenden
Anschläge 62a und 62b bezeichnen.
Durch die federnde Ausbildung der Anschläge 62a und 62b ist gewährleistet,
dass ein Anstoßen
eines Anschlags 62a oder 62b nicht zu einer Beschädigung der
Sensorvorrichtung führt.
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Beispielsweise
ist jeder der Anschläge 62a und 62b einzeln über eine
Feder 66 mit der seismischen Masse 50 verbunden.
Die in Verformungsenergie umgewandelte kinetische Energie bewirkt
in diesem Fall ein reversibles Biegen der mindestens einen Feder 66, über welche
der mindestens eine anstoßende
Anschlag 62a oder 62b mit der seismischen Masse 50 verbunden
ist. Geht die seismische Masse 50 in ihre Ausgangsstellung über, so
wird auch die reversible Biegung der Feder 66 aufgehoben.
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Die
mindestens eine Feder 66 und der mindestens eine Anschlag 62a oder 62b können ebenfalls
aus der mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert werden.
Auf eine mögliche
Ausführungsform
eines geeigneten Herstellungsverfahrens für die hier beschriebene Sensorvorrichtung
wird unten noch eingegangen. Die mindestens eine Feder 66 kann
eine lineare Form haben. Eine derartige Feder 66 lässt sich
leicht formen.
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Vorzugsweise
kann eine Feder 66 eine Gesamtlänge L aufweisen, welche größer als
eine maximale Ausdehnung D des in Bezug auf die Unterseite 58 hervorstehenden
Bereichs des zugehörigen
Anschlags 62a oder 62b ist. Insbesondere kann
die Gesamtlänge
L um einen Faktor von mindestens zwei größer als die maximale Ausdehnung
D des hervorstehenden Bereichs sein. Vorteilhafterweise ist die Gesamtlänge L um
einen Faktor von mindestens fünf größer als
die maximale Ausdehnung D des hervorstehenden Bereichs. Auf diese
Weise ist ein nicht-reversibles Verformen und Brechen der Feder 66 bei
einem Anstoßen
des zugehörigen
Anschlags 62a oder 62b verlässlich verhinderbar.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf eine Teiloberfläche einer Unterseite einer
seismischen Masse zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform
der Sensorvorrichtung.
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Die
teilweise in Draufsicht dargestellte seismische Masse 80 ist
auf die anhand der vorhergehenden Ausführungsform beschriebene Weise
verstellbar in einer Sensorvorrichtung angeordnet. Die zugehörige Sensorvorrichtung
umfasst auch die Detektions- und Auswerteeinrichtung, wobei von
den Elektroden der Sensorvorrichtung nur die zweite Anschlagelektrode 64b in 3 eingezeichnet
ist.
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An
der in ihrer Ausgangsstellung parallel zu der xy-Ebene ausgerichteten
Unterseite 58 der seismischen Masse 80 sind mehrere
in z-Richtung hervorstehende Anschläge 82 angeordnet.
Da die Anordnung der Anschläge 82 entsprechend
der oberen Ausführungsform
realisierbar ist, ist nur einer der Anschläge 82 in 3 dargestellt.
Der Anschlag 82 ist an einer Außenfläche eines federnden Bereichs 84 ausgebildet,
wobei die Außenfläche des
federnden Bereichs 84 an der Unterseite 58 angeordnet
ist. Insbesondere kann die Außenfläche des
federnden Bereichs 84 in einer Ebene mit der Unterseite 58 der seismischen
Masse 80 liegen.
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Der
federnde Bereich 84 kann auch als EPI-Bereich bezeichnet
werden. Vorzugsweise weist der federnde Bereich in einer Richtung
senkrecht zu der Unterseite 58 eine Mindestschichtdicke
auf, welche gleich der Mindestschichtdicke der seismischen Masse 80 ist.
Der Anschlag 82 kann einstückig mit dem federnden Bereich 84 ausgebildet
sein.
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Der
federnde Bereich 84 ist bei der hier dargestellten Ausführungsform
in einer durchgehenden Aussparung 86 eines verstellbaren
Restbereichs der seismischen Masse 80 angeordnet. Über zwei
mäandertörmige Federn 88 und
ein Stegelement 90 ist der federnde Bereich 84 mit
dem verstellbaren Restbereich der seismischen Masse 80 verbunden.
Ein erstes Ende des Stegelements 90 kontaktiert den federnden
Bereich 84. Ein zweites Ende des Stegelements 90 ist
an je einem Ende einer mäanderförmigen Feder 88 angeordnet.
Die beiden anderen Enden der mäanderförmigen Federn 88 sind
an dem verstellbaren Restbereich der seismischen Masse 80 befestigt.
Der federnde Bereich 84, das Stegelement 90, die
beiden mäanderförmigen Federn 88 und
die seismische Masse 80 können als einstückige Einheit aus
einer einzigen mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert
sein.
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Die
Form der mäanderförmigen Federn 88 ermöglicht eine
vorteilhafte Gesamtlänge
der mäanderförmigen Federn 88,
welche sich auf einen vergleichsweise kleinen Raum komprimieren
lässt. Durch
die vorteilhaft große
Gesamtlänge
der mäanderförmigen Federn 88 wird
die bei einem Anstoßen des
Anschlags 82 in Biegeenergie umgesetzte kinetische Energie über die
mäanderförmigen Federn 88 verteilt,
ohne dass es zu einem nicht-reversiblen Verformen und/oder Brechen
der mäanderförmigen Federn 88 kommt.
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Vorzugsweise
sind die beiden mäanderförmigen Federn 88 in
ihren Ausgangsstellungen symmetrisch zu einer parallel zu der xy-Ebene
ausgerichteten Symmetrieachse 92 ausgebildet. Die Symmetrieachse 92 kann
mittig durch den Anschlag 82 verlaufen. Auf diese Weise
ist gewährleistet,
dass bei dem Anstoßen
des Anschlags 82 die in Biegeenergie umgewandelte kinetische
Energie gleichmäßig auf die
beiden mäanderförmigen Federn
verteilt wird. Die symmetrische Ausbildung von mindestens zwei Federn, über welche
ein Anschlag 82 mit einer seismischen Masse 80 verbunden
ist, ist nicht auf mäanderförmige Federn 88 beschränkt.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf eine Unterseite einer seismischen Masse zum
Darstellen einer dritten Ausführungsform
der Sensorvorrichtung.
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Die
Sensorvorrichtung der dargestellten seismischen Masse 100 umfasst
die schon beschriebenen Komponenten 52, 54, 60a, 60b, 64a und 64b, auf
deren Funktionsweise hier nicht noch einmal eingegangen wird. Im
Unterschied zu der ersten Ausführungsform
weist die hier dargestellte Ausführungsform
der Sensorvorrichtung eine seismische Masse 100 mit zwei
Teilmassen 100a und 100b auf, deren verstellbare
Restbereiche jeweils einen federnden Bereich 102a oder 102b umrahmen.
Vorzugsweise weisen die federnden Bereiche 102a und 102b eine senkrecht
zu der Unterseite 58 (in z-Richtung) verlaufende Mindestschichtdicke
auf, welche gleich einer Mindestschichtdicke der seismischen Masse 100 (in z-Richtung) ist.
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An
den federnden Bereichen 102a und 102b sind mindestens
zwei in z-Richtung hervorstehende Anschläge 104a und 104b ausgebildet.
Es wird hier darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnung der Anschläge 104a oder 104b an
einem federnden Bereich 102a oder 102b beschränkt ist.
Vorzugsweise sind die Anschläge 104a oder 104b an
einem federnden Bereich 102a oder 102b so angeordnet,
dass die Abstände
zwischen zwei benachbarten Anschlägen 104a oder 104b gleich
sind.
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Die
federnden Bereiche 102a und 102b sind jeweils über mindestens
eine Feder 106 mit der seismischen Masse 100 verbunden.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist jeder der beiden federnden Bereiche 102a und 102b über zwei
Federn 106 an die seismische Masse 100 angekoppelt.
Die hier beschriebene Aus führungsform
ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl von Federn 106 pro
federnden Bereich 102a oder 102b oder auf die
gezeigte Anordnung der Federn 106 beschränkt.
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Durch
die Ausbildung von mehreren Anschlägen 104a und 104b an
einem federnden Bereich 102a oder 102b ist die
Anzahl der Federn 106 reduzierbar. Zusätzlich vergrößert dies
die beim Anstoßen
der Anschläge 104a und 104b verstellte
Masse und ermöglicht
somit eine bessere Dämpfung.
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Die
in den oberen Absätzen
beschriebenen Sensorvorrichtungen können mit weichen Biegefedern
ausgestattet werden. Damit eignen sich die Sensorvorrichtungen auch
für ein
Nachweisen und/oder ein Messen geringer Beschleunigungen und/oder
vergleichsweise kleiner Kräfte
in eine Richtung senkrecht zu der Ausgangsstellung der Oberseite
und/oder der Unterseite 58. Insbesondere für einen
als Nieder-g-Sensor ausgebildeten Beschleunigungssensor sind die
oben beschriebenen federnden Ausbildungen der Anschläge sehr
vorteilhaft.
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5 zeigt
ein Flussdiagramm zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens
für eine
Sensorvorrichtung. Beispielsweise ist das Herstellungsverfahren
zum Herstellen der oben beschriebenen Sensorvorrichtungen verwendbar.
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In
einem Schritt S1 wird eine Isolierschicht so auf ein Substrat aufgebracht,
dass die Isolierschicht eine Oberfläche des Substrats zumindest
teilweise abdeckt. Vorzugsweise umfasst das Substrat Silizium. Die
Isolierschicht kann beispielsweise eine Oxydschicht sein.
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Anschließend wird
eine Halbleiter- und/oder Metallschicht, welche die Isolierschicht
zumindest teilweise abdeckt, gebildet (Schritt S2). In einem Schritt
S3 kann mindestens eine Elektrode als Untereinheit einer Detektions-
und Auswerteeinrichtung aus der Halbleiter- und/oder Metallschicht
herausstrukturiert werden. Beispielsweise werden Aussparungen in
die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht geätzt, welche die spätere Struktur
der mindestens einen Elektrode festlegen. Die mindestens eine Elektrode
kann eine Detektionselektrode und/oder eine Anschlagelektrode sein.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird der Schritt S3 vor einem Aufbringen einer mikromechanischen
Funktionsschicht auf zumindest Teilbereichen der Halbleiter- und/oder
Metallschicht in einem Schritt S4 ausgeführt. Das hier beschriebene Herstellungsverfahren
ist jedoch nicht auf eine derartige Reihenfolge zum Ausführen der
Schritte S3 und S4 beschränkt.
Vor dem Schritt S4 können
die in die zweite Halbleiter- und/oder Metallschicht geätzten Aussparungen
mit einem Füllmaterial,
beispielsweise mit einem Oxyd, gefüllt werden. Vorzugsweise umfasst
die mikromechanische Funktionsschicht Silizium. Man erhält somit
eine Schichtenfolge aus dem Substrat, der Isolierschicht, der Halbleiter-
und/oder Metallschicht und der mikromechanischen Funktionsschicht.
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In
einem Schritt S5 wird eine flächig
ausgebildete seismische Masse mit einer Oberseite und einer Unterseite
an oder auf der Grundplatte der späteren Sensorvorrichtung so
angeordnet, dass die seismische Masse während eines Betriebs der Sensorvorrichtung
bei einem Beschleunigen der Grundplatte in eine zu einer Ausgangsstellung
der Oberseite und/oder der Unterseite nicht-parallele Richtung in Bezug
auf die Grundplatte verstellt wird. Gleichzeitig, zuvor oder anschließend wird
in einem Schritt S6 mindestens ein an der Oberseite und/oder der
Unterseite der seismischen Masse hervorstehender Anschlag ausgebildet.
Dabei wird der mindestens eine Anschlag über mindestens eine Feder mit
der seismischen Masse verbunden.
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Die
Schritte S5 und S6 können
gleichzeitig ausgeführt
werden, indem zumindest die seismische Masse, der mindestens eine
Anschlag und die mindestens eine Feder aus der mikromechanischen Funktionsschicht
herausstrukturiert werden. Zusätzlich
können
in einem Ätzverfahren
zum Ausführen der
Schritte S5 und S6 zumindest eine Teilkomponente einer Verankerung, über welche
die seismische Masse mit der Grundplatte oder einer Untereinheit
des späteren
Gehäuses
der Sensorvorrichtung verbunden wird, mindestens eine Biegefeder,
welche zwischen der Verankerung und der seismischen Masse angeordnet
ist, und ein die seismische Masse umrahmendes Rahmenteil aus der
mikromechanischen Funktionsschicht herausstrukturiert werden. Dabei
kann die mindestens eine Biegefeder so geformt werden, dass sie
während
eines Betriebs der fertig hergestellten Sensorvorrichtung eine geringe Biegesteifigkeit
zum Detektieren kleiner Beschleunigungen und/oder kleiner Kräfte aufweist.
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Vor
dem Ätzverfahren
kann über
ein Lithographieverfahren eine strukturierte Ätzmaske auf der mikromechanischen
Funktionsschicht gebildet werden. Das angewandte Ätzverfahren
kann ein zweistufiges Ätzverfahren
sein. In einer ersten Stufe des Ätzverfahrens
kann vorzugsweise in eine senkrecht zu der mikromechanischen Funktionsschicht
ausgerichtete Ätzrichtung
geätzt
werden. Anschließend können aus
einem Material, welches bei der zweiten Stufe des Ätzverfahrens
nicht angegriffen wird, Spacer gebildet werden, welche lediglich
die Seitenwände
der in der ersten Stufe des Ätzverfahrens
geätzten
Gräben
abdecken. Somit erfolgt in der zweiten Stufe des Ätzverfahrens
ein Unterätzen
der in der ersten Stufe herausstrukturierten Strukturen. Da das Ätzverfahren
anhand der vorhergehenden Sätze
für einen
Fachmann nahegelegt ist, wird nicht weiter darauf eingegangen.
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In
mindestens einem weiteren (nicht dargestellten) Schritt kann die
Detektions- und
Auswerteeinrichtung fertig gestellt werden, welche dazu ausgelegt
wird, bei dem Betrieb der Sensorvorrichtung eine Verstellbewegung
der seismischen Masse aus der Ausgangsstellung in Bezug auf die
Grundplatte zu erfassen und unter Berücksichtigung der Verstellbewegung
eine Information der bezüglich
der Beschleunigung der Sensorvorrichtung und/oder einer auf die
Sensorvorrichtung wirkenden Kraft festzulegen.
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In
einem weiteren Schritt S7 kann ein Kappenwafer an dem Rahmenteil
befestigt werden. Beispielsweise ist der Kappenwafer ein Glaswafer,
in welchem mindestens eine Aussparung hineinstrukturiert ist. Durch
die Aussparung ist eine gute Beweglichkeit der seismischen Masse
während
des Betriebs der fertigen Sensorvorrichtung gewährleistet.
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Das
Befestigen des Kappenwafers an dem Rahmenteil kann über ein
Bondverfahren erfolgen. Vorzugsweise wird dabei ein Innenvolumen
mit der seismischen Masse hermetisch abdichtet. Auf diese Weise
ist das Eindringen von Partikeln oder Flüssigkeiten in das Innenvolumen 20 verlässlich verhinderbar.
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Die
in den oberen Absätzen
beschriebenen Verfahrensschritte können im Bulk ausgeführt werden.
Dabei können
eine Vielzahl von seismischen Massen, Elektroden und Kappenwafern
gleichzeitig hergestellt werden. Anschließend wird über ein Fräsen, Ätzen und/oder Sägen eine
Unterteilung der fertigen Sensorvorrichtungen ausgeführt.