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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor,
ein Verfahren zur Messung einer Beschleunigung sowie die Verwendung
des Beschleunigungssensors in Kraftfahrzeugen.
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Die
Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen mikromechanischen
Beschleunigungssensor sowie ein Verfahren zur Messung von Beschleunigungen
vorzuschlagen, mit welchem Beschleunigungen relativ präzise erfasst
werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
den mikromechanischen Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren
gemäß Anspruch
8.
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Unter
einer Rückstelleinrichtung
wird vorzugsweise eine kapazitive Einrichtung verstanden, insbesondere
nach dem elektrostatischen Prinzip wirkend, mittels derer die Auslenkung
der seismischen Masse beeinflusst werden kann und dabei die Auslenkung
der seismischen Masse besonders bevorzugt immer bzw. ständig auf
einen definierten Auslenkungswert zurückgeregelt wird, wobei dieser definierte
Auslenkungswert ganz besonders bevorzugt einer Ruhelage der seismischen
Masse entspricht.
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Es
ist bevorzugt, dass die wenigstens eine Rückstelleinrichtung zumindest
eine, insbesondere im Wesentlichen flach aus gebildete, Elektrode
umfasst und im Wesentlichen so ausgebildet und relativ zur ersten
seismischen Masse angeordnet ist, dass zwischen Auslenkung der ersten
seismischen Masse und/oder der auf diese wirkende Kraft aufgrund
einer an die Rückstelleinrichtung
angelegten elektrischen Spannung und dieser elektrischen Spannung
ein im Wesentlichen quadratischer Zusammenhang besteht. Besonders
bevorzugt umfasst die wenigstens eine Rückstelleinrichtung einen oder
mehrere Plattenkondensatoren und ganz besonders bevorzugt keine
mäanderförmige Kondensatorstruktur,
welche einen im Wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen der
Auslenkung der ersten seismischen Masse aufgrund einer an die Rückstelleinrichtung
angelegten elektrischen Spannung und dieser elektrischen Spannung
aufweist. Durch den oben beschriebenen quadratischen Zusammenhang
bzw. der entsprechenden Ausbildung der Rückstelleinrichtung können sowohl
relativ große
als auch relativ geringe Beschleunigungen relativ präzise erfasst
werden, da im Bereich relativ niedriger Beschleunigungen die Rückstellungsspannung-Beschleunigungs-Kennlinie relativ
steil ist und der Sensor daher in diesem Bereich eine relativ hohe
Auflösung
aufweist und im Bereich relativ hoher Beschleunigungen diese Kennlinie relativ
flach ist und so für
diese relativ großen
Beschleunigungen keine allzu großen Rückstellspannungen erforderlich
sind. Der Beschleunigungssensor ist dabei insbesondere bevorzugt
so ausgebildet, dass die Rückstellungsspannung-Beschleunigungs-Kennlinie zumindest
bezüglich
der ersten seismischen Masse und der ihr zugeordneten wenigstens
einen Rückstelleinrichtung
im Wesentlichen den Verlauf bzw. die Gestalt einer Wurzelfunktion aufweist.
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Die
Elektrode der wenigstens einen Rückstelleinrichtung
ist vorzugsweise in einem Verkapselungsmodul des Beschleunigungssensors
angeordnet, wobei dieses Verkapselungsmodul insbesondere als Deckel
ausgebildet ist.
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Die
Elektrode der wenigstens einen Rückstelleinrichtung
weist zweckmäßigerweise
mit einer Basisfläche
bzw. Substratebene des Beschleunigungssensors einen Winkelbetrag
von weniger als 20° auf
und ist insbesondere im Wesentlichen parallel zur Basisfläche angeordnet.
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Es
ist bevorzugt, dass der Beschleunigungssensor mindestens zwei oder
ein Vielfaches von zwei, Ausleseeinrichtung aufweist, welche zu
einem geometrischen oder massenbezogenen Mittelpunkt und/oder einer
geometrischen oder massenbezogenen Mittelachse der ersten seismischen
Masse oder des Beschleunigungssensors, symmetrisch angeordnet und/oder
ausgebildet sind.
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Der
Beschleunigungssensor weist vorzugsweise mindestens zwei oder ein
Vielfaches von zwei, Rückstelleinrichtungen
auf, welche zu einem geometrischen oder massenbezogenen Mittelpunkt und/oder
einer geometrischen oder massenbezogenen Mittelachse der ersten
seismischen Masse oder des Beschleunigungssensors, symmetrisch angeordnet
und/oder ausgebildet sind.
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Die
wenigstens eine Rückstelleinrichtung und
die mindestens eine Ausleseeinrichtung weisen mit der diesen zugeordneten seismischen
Masse bevorzugt eine oder mehrere Kapazitäten auf. Diese Kapazität ist insbesondere
als zumindest ein Plattenkondensator ausgebildet, besonders bevorzugt
als Kammstrukturen mit mehreren Plattenkondensatoren.
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Es
ist zweckmäßig, dass
die zwei oder mehr Rückstelleinrichtungen
und/oder Ausleseeinrichtungen des Beschleunigungssensors so ausgebildet sind,
dass bei Auslenkung zumindest der ersten seismischen Masse in eine
erste Richtung die zumindest zwei Rückstelleinrichtungen und/oder
Ausleseeinrichtungen gegenläufig
Kapazitätsänderungen
erfahren, also zueinander inverse Plattenabstandsänderungen.
Insbesondere greifen dabei die Kammstrukturen gegenüberliegender
Rückstell- und/oder Ausleseeinrichtungen
zueinander versetzt ineinander. Diese gegenläufige Kapazitätsausbildung
weisen besonders bevorzugt auch weiter oben beschriebene ansonsten
symmetrische Rückstell-
und/oder Ausleseeinrichtungen auf.
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Die
erste seismische Masse ist bevorzugt exzentrisch bezüglich ihres
Massenschwerpunktes aufgehängt,
insbesondere an zumindest einer Torsionsfeder. Bei Ausbildung des
Beschleunigungssensors als ein-achsiger Sensor, also zur Erfassung
von Beschleunigungen in einer Richtung, ist der Massenschwerpunkt
zumindest der ersten seismischen Masse besonders bevorzugt in einer
Richtung bezüglich ihrer
Aufhängungs- bzw. Torsionsachse
ausgelagert ausgeprägt,
dabei ist der Massenschwerpunkt ganz besonders bevorzugt unterhalb
oder oberhalb der Aufhängungs-
bzw. Torsionsachse, auf einer Senkrechten zu dieser Achse ausgelagert
bzw. ausgeprägt.
Bei Ausbildung des Beschleunigungssensors als mehr-achsiger Sen sor,
also zur Erfassung von Beschleunigungen in mindestens zwei unterschiedlichen
Richtungen, ist der Massenschwerpunkt zumindest der ersten seismischen
Masse besonders bevorzugt in zwei Richtung bezüglich ihrer Aufhängungs-
bzw. Torsionsachse ausgelagert ausgeprägt, dabei ist der Massenschwerpunkt
ganz besonders bevorzugt unterhalb oder oberhalb und seitlich versetzt
zur Aufhängungs-
bzw. Torsionsachse ausgelagert bzw. ausgeprägt.
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Es
ist zweckmäßig, dass
der Beschleunigungssensor als dreiachsiger Sensor ausgebildet ist und
vier seismische Massen aufweist, welche jeweils an zumindest einer
Torsionsfeder angehängt
sind, wobei der Massenschwerpunkt der seismischen Masse jeweils
gegenüber
der Aufhängungsachse ausgelagert
ist und jeweils zwei seismischen Massen so aufgehängt sind,
dass die Aufhängungsachsen um
im Wesentlichen 90° gegenüber den
Aufhängungsachsen
der zwei anderen seismischen Massen ausgebildet sind. Der Beschleunigungssensor
umfasst insbesondere eine elektronische Auswerteschaltung oder ist
an eine solche Auswerteschaltung angeschlossen, die aus den Auslenkungen
und/oder Rückstellspannungen
der vier seismischen Massen die Beschleunigungen in drei Richtungen
erfassen kann. Die Aufhängungsachsen
sind besonders bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einer x-y-Substratebene
angeordnet, wobei die Aufhängungsachsen der
vier seismischen Massen paarweise in x-Richtung und y-Richtung ausgerichtet
sind, ganz besonders bevorzugt sind die Aufhängungsachsen bzw. Torsionsfedern
dabei bezogen auf die eine Masse davor bzw. linksseitig und bezogen
auf die andere Masse dahinter bzw. rechtsseitig jeweils des Massenschwerpunktes
der jeweiligen seismischen Masse angeordnet bzw. ausgebildet. Oberhalb
und/oder unterhalb, also in z-Richtung beabstandet, sind den seismischen
Massen jeweils zwei Ausleseelektroden zugeordnet, wobei diese Ausleseelektroden
beidseitig der Aufhängungsachse
bzw. der entsprechenden Torsionsfeder zugeordnet bzw. angeordnet
sind. Durch die jeweils ausgelagerten Massenschwerpunkte bezogen
auf die jeweilige Aufhängungsachse bzw.
durch die jeweils bezogen auf die Massenschwerpunkte exzentrisch
ausgebildet bzw. angeordneten Torsionsfedern wird ein Paar seismischer
Massen bei Einwirkung einer Beschleunigung in x-Richtung gegenphasig um die y-Achse
tordierend ausgelenkt und das andere Paar seismischer Massen bei Einwirkung
einer Beschleunigung in y-Richtung gegenphasig um die x-Achse tordierend
ausgelenkt. Bei Einwirkung einer Beschleunigung in z-Richtung, also
senkrecht zur Substratebene, werden alle vier seismischen Massen
gleichphasig tordierend um ihre jeweilige Aufhängungsachse ausgelenkt.
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Es
ist zweckmäßig, dass
wenigstens der ersten seismischen Masse zumindest zwei Ausleseeinrichtungen
zugeordnet sind, welche bezüglich
einer Aufhängungsachse
der ersten seismischen Masse diesseits und jenseits dieser Aufhängungsachse und/oder
beidseitig bezogen auf diese Aufhängungsachse zugeordnet und
entsprechend angeordnet sind und/oder welche einem zentralen Bereich
der ersten seismischen Masse zugeordnet sind und entsprechend angeordnet
sind, und wobei die wenigstens eine Rückstelleinrichtung der ersten
seismischen Masse bezogen auf deren Aufhängungsachse und/oder den zentralen
Bereich weiter außen
als die Ausleseeinrichtungen zu geordnet ist und entsprechend angeordnet
ist. Insbesondere ist jeweils eine Rückstelleinrichtung weiter außen als
die Ausleseeinrichtung, besonders bevorzugt beidseitig der Ausleseeinrichtungen,
angeordnet. Die Anordnung der wenigstens einen Rückstelleinrichtung im äußeren Bereich
der seismischen Masse bewirkt, dass die benötigte Rückstellspannung aufgrund des
relativ großen Hebels,
bezogen auf die Aufhängungsachse,
relativ gering bleiben kann, also nur relativ geringe elektrische
Rückstellspannungen
erforderlich sind.
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Der
Beschleunigungssensor umfasst bevorzugt einen Regelkreis, welcher
die Auslenkung der seismischen Masse auf einen definierten Auslenkungswert,
insbesondere den einer Ruhelage der seismischen Masse entsprechenden
Auslenkungswert, mittels zumindest der Rückstelleinrichtung einregeln
kann.
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Die
wenigsten eine Ausleseeinrichtung erfasst die Auslenkung der seismischen
Masse vorzugsweise nach dem kapazitiven Prinzip.
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Es
ist zweckmäßig, dass
der Beschleunigungssensor wenigstens zwei Ausleseeinrichtungen aufweist,
welche der seismischen Masse gemeinsam zugeordnet sind, wodurch
eine differentielle Erfassung der Auslenkung der seismischen Masse
durchgeführt
werden kann und somit insbesondere eine Offsetkapazität nicht
berücksichtigt
werden muss.
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Es
ist bevorzugt, die wenigstens eine Ausleseeinrichtung oberhalb und/oder
unterhalb bzw. der seismischen Masse anzuordnen, bezogen auf die Substratebene,
da hier keine zusätz liche
Chipfläche für Auslese-
bzw. Rückstellstrukturen
erforderlich sind und somit der Sensor kleiner gefertigt werden kann.
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Der
Beschleunigungssensor weist bevorzugt jeweils, insbesondere paarweise,
vor und hinter oder über
und unter zumindest der ersten seismischen Masse wenigsten eine
Rückstelleinrichtung
bzw. zumindest eine Rückstellelektrode
auf, wodurch die Gesamtkapazität
der Rückstelleinrichtungen
vergrößert, insbesondere
verdoppelt wird, und so geringere Rückstellspannugen, also an die
jeweilige Rückstelleinrichtung
angelegte elektrische Spannung, erforderlich sind.
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Ein
Vorteil des Beschleunigungssensors mit Rückstelleinrichtung/en ist die
kleine Bauform gegenüber
Sensoren mit mehreren seismischen Massen, welche an Federn für verschiedene
Messbereiche aufgehängt
sind, oder gegenüber
mehreren Sensoren. Ein weiterer Vorteil ist, dass bestehende Sensordesigns
verwendet werden können,
welche nur um die wenigstens eine Rückstelleinrichtung erweitert werden
müssen.
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Allein
durch Integration wenigstens einer Rückstelleinrichtung bzw. zusätzlicher
Elektroden kann der Messbereich eines low-g Sensors vorzugsweise
(typisch 1–5
g) auf einen zusätzlichen
höheren Messbereich
(50–100
g) erweitert werden. Durch geeignete Anordnung in einem Kraftfahrzeug
kann dadurch ein bisher teilweise üblicher bzw. bisher notwendiger,
separater high-g Beschleunigungssensor entfallen.
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Insbesondere
gegenüber
Rückstelleinrichtungen,
die als mäanderförmige Kammstrukturen ausgebildet
sind, erlaubt wenigstens eine Rückstelleinrichtung
umfassend zumindest einen Parallelplattenkondensator die nichtlineare
Rückstellung
der seismischen Masse bzw. des Beschleunigungssignals. Hierdurch
wird es deutlich erleichtert, die gegenläufigen Anforderungen nach möglichst
hoher Auflösung
im low-g Bereich und möglichst
großem Messbereich
bei möglichst
kleinen Rückstellspannungen
im high-g Bereich zu realisieren. Die üblicherweise mit einer Erhöhung des
Messbereichs verbundene Reduzierung der Auflösung tritt bei dieser Lösung nur
bei hohen Beschleunigungen auf. Durch den nichtlinearen Verlauf
der Übertragungskennlinie ist
damit sichergestellt, dass bei Messungen im low-g Messbereich (1–5 g) eine
relativ hohe Auflösung
erzielt werden kann.
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Das
Verfahren wird vorzugweise weitergebildet, indem die Regelung ständig durchgeführt wird.
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Es
ist bevorzugt, dass zumindest aus dem Wert einer elektrischen Spannung,
welche an die Rückstelleinrichtung
zur Regelung der Auslenkung der seismischen Masse auf den definierten
Auslenkungswert im Rahmen der Regelung angelegt wird, die durch
den Beschleunigungssensor erfasste Beschleunigung berechnet wird.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
die Verwendung des mikromechanischen Beschleunigungssensors in Kraftfahrzeugen,
insbesondere zur kombinierten Erfassung von relativ geringen Be schleunigungen,
beispielsweise für
ESP-Applikationen, und relativ großen Beschleunigungen, beispielsweise
für Insassenschutz-
und Airbag-Applikationen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von
Figuren.
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Es
zeigen in schematischer Darstellung:
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1 ein
beispielhaftes Regelungssystem eines Beschleunigungssensors in Form
eines Blockschaltbilds, wobei der Beschleunigungssensor eine Rückstellungsregelung
umfasst und einen relativ breiten Messbereich aufweist.
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2a)
ein Ausführungsbeispiel
mit vier Rückstelleinrichtungen,
b) einen beispielhaften Beschleunigungssensor mit vier Ausleseeinrichtungen,
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3 ein
Ausführungsbeispiel
mit einer ersten seismischen Masse, die einen gegenüber ihrer Aufhängungsachse
ausgelagerten Massenschwerpunkt aufweist,
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4 ein
beispielhafter drei-achsiger Beschleunigungssensor,
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5 den
Querschnitt eines beispielhaften Beschleunigungssensors mit zwei
seismischen Massen 2b, 2c, welche durch eine Beschleunigung gleichphasig
in z-Richtung ausgelenkt werden,
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6 den
Querschnitt einer beispielgemäßen Beschleunigungssensors
mit oben- und untenliegenden Elektroden und Rückstelleinrichtungen. Hierdurch
wird weniger Rückstellspannung
benötigt, da
die Kapazität
sich vergrößert. Ebenso
ist die Signalstärke
der Ausleseelektroden aus demselben Grund größer,
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7 eine
beispielhafte Übertragungsfunktion
eines Rückstellsignals
und eines linearisierten Signals als Funktion der Beschleunigung,
und
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8 die
beispielhafte Darstellung der Auflösung eines rückgestellten
Beschleunigungssensors in Abhängigkeit
der Rückstellspannung
an den Rückstellelektroden.
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1 zeigt
beispielhaft das Funktionsprinzip mit den Schaltungsbestandteilen
eines an Sensorelement 11, schematisch bestehend aus den
Messkapazitäten
C1, C2, C3 und C4 angeschlossenen elektronischen Reglers. Mit diesen
Kapazitäten
wird die Auslenkung der seismischen Masse gemessen. Die Anordnung
von C1, C2 ist dabei so gewählt,
dass eine Auslenkung der seismischen Masse eine gegenläufige Änderung
der beiden Kapazitäten
C1 und C2 bewirkt. Die Konvertierung des Kapazitätssignals in eine elektrische
Messgröße erfolgt
durch Einspeisung einer konstanten Wechselspannung an Pin (Carrier). Über den
nachfolgenden Strom-Spannungswandler be stehend aus dem Verstärkerblock 12 und
den beiden Referenzkapazitäten
CREF1 und CREF2 werden die Kapazitätsänderungen in C1, C2 in ein
proportionales Spannungssignal umgewandelt. Schaltungsblock 13 umfasst
einen A/D-Wandler der das analoge Signal in ein digitales Signal
umwandelt. Für
die Implementierung des A/D-Wandlers gibt es mehrere Ausführungsformen.
Parallele Wandler erlauben die direkte Umsetzung in ein digitales
Bit-Signal mit einer vorgegebenen Wandlungsbreite. Weitere alternative
Ausführungsformen
sind beispielsweise als Sigma-Delta Wandler ausgebildet, bei denen das
analoge Signal zuerst in ein puls-weiten-moduliertes Signal und
danach über
wenigstens eine nachfolgende Dezimationsstufe in ein paralleles
Digitalsignal gewandelt werden. Schaltungsblock 14 besteht aus
einer Reglerstruktur die das Ausgangsignal so einstellt, dass das
Eingangssignal zu 0 geregelt wird. Dieser Regler bewirkt, dass das über den
D/A-Wandler 16 und den Hochvoltconverter 17 auf
die Rückstellelektroden
C3, C4 zurückgeführte Spannungssignal
sich so einstellt, dass die auf die seismische Masse einwirkende
Kraft des Beschleunigungssignals durch die in C3 und C4 wirkende
elektrostatische Kraft kompensiert wird. Ähnlich wie bei dem A/D-Wandler kann auch
hier ein Sigma-Delta-Wandler eingesetzt werden. Auch eine Kombination
des A/D-Wandlers mit dem D/A-Wandler
zu einem sogenannten „closed-loop-signal”-Delta-Wandler ist möglich.
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Durch
den für
den Parallelplattenkondensator geltenden Zusammenhang, dass die
wirkende elektrostatische Kraft proportional zum Quadrat der einwirkenden
Spannung ist, ergibt sich die in 7 dargestellte,
nichtlineare Abhängigkeit
der Rückstellspannung
von der einwirkenden Beschleunigung. In dem Signalverarbeitungsblock 15 wird
das Signal durch eine Multiplikation quadriert und damit wieder ein
linearer Zusammenhang zur Beschleunigung hergestellt. In Signalverarbeitungsblock 15 erfolgt
dann ebenfalls der für
Sensoren in dieser Genauigkeitsklasse vorteilhafte Abgleich des
Offsets und der Empfindlichkeit. Über einen zusätzlichen
Testeingang ist es möglich,
die seismischen Masse über
die elektrostatische Anregung für
Testzwecke auszulenken. Damit können
eventuell vorhandene lose Partikel oder Ätzrückstände erkannt werden.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen
Beschleunigungssensors dargestellt, welcher eine mit Federn 1a und 1b an
einem Rahmen aufgehängte
seismische Masse 2, Ausleseeinrichtungen 3a, 3b mit
am Substrat befestigte Gegenelektroden 4a, 4b,
mit denen eine Kapazitätsänderung
dieser Kammstrukturen differentiell erfasst werden kann, umfasst.
Zusätzlich
weist der Beschleunigungssensor Rückstelleinrichtungen 5aa–5bb mit
Gegenelektroden 5a/b-L bzw. 5a/b-R, als kapazitive
Kammstrukturen ausgebildet, auf, mit welchen Kräfte bereitgestellt bzw. erzeugt
werden können,
die der Bewegung der seismischen Masse 2 entgegenwirken.
Durch ein Anlegen von einer zur Schwingung der seismischen Masse 2 phasenrichtigen
elektrischen Spannung an 5a/b-L bzw. 5a/b-R kann
eine einwirkende Kraft, insbesondere eine durch eine erfasste Beschleunigung
hervorgerufene Kraft, kompensiert werden. Die vier Rückstelleinrichtungen 5aa bis 5bb sind
zum Mittelpunkt seismischer Masse 2 symmetrisch angeordnet.
Die Signalauslesung erfolgt beispielgemäß doppelt differentiell mittels
der beiden Ausleseeinrichtungen 3a und 3b, welche
symmetrisch zur Mittelachse seismischer Masse 2 in x-Richtung ausgebildet
und angeordnet sind, wobei allerdings die Kammstrukturen versetzt
bzw. gegenläufig
ineinander greifen, wodurch bei Auslenkung seismischer Masse 2 in
negativer x-Richtung, beispielhaft durch den Pfeil veranschaulicht,
die Kammstrukturen der Ausleseeinrichtung 3a, 4a eine positive
Kapazitätsänderung
erfahren und die Kammstrukturen der Ausleseeinrichtung 3b, 4b eine negative.
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In 2b)
ist ein Ausführungsbeispiel
mit vier Ausleseeinrichtungen 3a–3d, 4a–4d abgebildet, die
im den Mittelpunkt seismischer Masse 2 symmetrisch angeordnet
sind, dabei allerdings jeweils paarweise gegenläufig bzw. versetzt ineinandergreifende Kammstrukturen
aufweisen, wodurch ein zusätzlich differentiellen
Messen ermöglicht
wird. Die Kapazitätsänderungen
c– und
c+ dieser Kammstrukturen bei Auslenkung seismischer Masse 2 in
der durch den Pfeil angedeuteten Richtung sind ebenfalls veranschaulicht.
Im äußeren Bereich
sind vier schematisch angedeutete Rückstelleinrichtungen 5aa bis 5bb angeordnet.
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3 zeigt
den Querschnitt eines beispielhaften mikromechanischen Beschleunigungssensors,
umfassend eine seismische Masse 2 mit zu den Federn 1 ausgelagertem
Massenschwerpunkt, einem Rahmen 6, Ausleseeinrichtungen 4a, 4b sowie als
Elektroden ausgebildete zusätzliche
Rückstelleinrichtungen 5-L, 5-R.
Der Beschleunigungssensor ist mittels eines Deckels bzw. Verkapselungsmoduls 7 verschlossen,
welcher elektrische Durchkontaktierungen 8 aufweist, mit
denen die Elektroden angeschlossen werden können.
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Anhand
der 4 ist ein beispielhafter drei-achsiger Beschleunigungssensor
mit vier seismischen Massen 2a–d, mit bezüglich des Schwerpunkts der
Massen 9a–d
ausgelagerten Federaufhängungen
bzw. Torsionsfedern 1a–d
veranschaulicht. Von den vier seismischen Massen 2a–2d sind jeweils
zwei seismischen Massen 2b, 2c so aufgehängt sind,
dass die Aufhängungsachsen
um im Wesentlichen 90° gegenüber den
Aufhängungsachsen der
zwei anderen seismischen Massen 2a, 2d ausgerichtet
sind. Der Beschleunigungssensor umfasst insbesondere eine nicht
dargestellt elektronische Auswerteschaltung oder ist an eine solche
Auswerteschaltung angeschlossen, die aus den Auslenkungen und/oder
Rückstellspannungen
der vier seismischen Massen 2a bis 2d die Beschleunigungen
in drei Richtungen erfassen kann. Die Aufhängungsachsen sind besonders
bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einer x-y-Substratebene angeordnet, wobei die
Aufhängungsachsen
der vier seismischen Massen paarweise in x-Richtung 1a, 1d und
y-Richtung 1b, 1c ausgerichtet sind und dabei
bezogen auf die eine Masse davor 1d bzw. linksseitig 1b und
bezogen auf die andere Masse dahinter 1a bzw. rechtsseitig 1c jeweils
des Massenschwerpunktes 9a–9d der jeweiligen
seismischen Masse angeordnet bzw. ausgebildet sind. Oberhalb und/oder
unterhalb, also in z-Richtung beabstandet, sind den seismischen
Massen jeweils zwei nicht dargestellte Ausleseelektroden zugeordnet,
wobei diese Ausleseelektroden beidseitig der Aufhängungsachse
bzw. der entsprechenden Torsionsfeder zugeordnet sind. Durch die
jeweils ausgelagerten Massenschwer punkte bezogen auf die jeweilige
Aufhängungsachse
bzw. durch die jeweils bezogen auf die Massenschwerpunkte exzentrisch
ausgebildet bzw. angeordneten Torsionsfedern wird ein Paar seismischer
Massen bei Einwirkung einer Beschleunigung in x-Richtung gegenphasig um die y-Achse
tordierend ausgelenkt werden und das andere Paar seismischer Massen
bei Einwirkung einer Beschleunigung in y-Richtung gegenphasig um die
x-Achse tordierend
ausgelenkt. Bei Einwirkung einer Beschleunigung in z-Richtung, also
senkrecht zur Substratebene, werden alle vier seismischen Massen
gleichphasig tordierend um ihre jeweilige Aufhängungsachse ausgelenkt.
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In 5 wird
ein Ausführungsbeispiel
gezeigt, bei welchem den seismischen Massen 2b und 2c,
die jeweils bezüglich
ihres Massenschwerpunkts 9 mittels Torsionsfedern 1 exzentrisch
aufgehängt sind
zwei Ausleseeinrichtungen 4a und 4b zugeordnet
sind, die beidseitig der Aufhängungsachse
oberhalb der seismischen Masse 2b, 2c in einem
zentralen Bereich dieser Massen angeordnet sind. Weiter außen ist
jeweils Rückstelleinrichtung 5 den
seismischen Massen zugeordnet und angeordnet. Die Anordnung der
Rückstelleinrichtungen 5 im äußeren Bereich
der seismischen Massen 2b, 2c bewirkt, dass die
benötigte
Rückstellspannung
aufgrund des relativ großen
Hebels, bezogen auf die Aufhängungsachse,
relativ gering bleiben kann, also nur relativ geringe elektrische
Rückstellspannungen
erforderlich sind.
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6 zeigt
einen beispielhaften Querschnitt eines Beschleunigungssensors mit
einer seismischen Masse 2, die gegenüber ihrem Massenschwerpunkt
exzentrisch an Torsionsfeder 1 aufgehängt ist. Seismischer Masse 2 sind
dabei jeweils beidseitig der Aufhängungsachse bzw. Torsionsfeder 1 Ausleseeinrichtungen
oberhalb 4aa, 4ab und unterhalb 4ba, 4bb zugeordnet,
bezogen auf die z-Richtung, senkrecht zur x-y-Substratebene. Bezogen auf die Ausleseeinrichtungen
sind ebenfalls beidseitig oberhalb und unterhalb seismischer Masse 2 in
einem äußeren Bereich
Rückstelleinrichtungen 5 zugeordnet
und entsprechend angeordnet. Diese sind mittels Durchkontaktierungen 8a, 8b der
Verkapselungsmodule bzw. Deckel 7a, 7b elektrisch
kontaktiert.