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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Körperschallsensor
gemäß den Ansprüchen 1, 5 und 8, eine
Tragvorrichtung für einen Körperschallsensor gemäß Anspruch
14 und eine Verwendung eines Klopfsensors gemäß Anspruch
15.
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Für
Airbag-Anwendungen werden mikromechanische Beschleunigungssensoren
verwendet. Die Beschleunigungssensoren werden unter anderem auch
als Körperschallsensoren eingesetzt. Die Körperschallsensoren
können den Körperschall in der Struktur eines
Autos bei einem Aufprall sensieren. Bisher eingesetzte Sensoren,
wie z. B. der SMB 470 von AE, können Frequenzen bis 20
kHz erfassen.
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Die
DE 10 2004 031 557
A1 beschreibt ein Verfahren zur insassengefährdungsrelevanten
Aktivierung von Insassen-Schutzeinrichtungen in einem Kraftfahrzeug
bei Crashfällen. Dazu wird ein Sensorelement aus Piezoxid
eingesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor
diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Körperschallsensor
gemäß den Ansprüchen 1, 5 und 8, eine
Tragvorrichtung für einen Körperschallsensor gemäß Anspruch
14 und eine Verwendung eines Klopfsensors gemäß Anspruch
15 geschaffen.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass zur Airbag-Sensierung
wesentlich höhere Frequenzen als die bisherigen 20 kHz
verwendet werden können. Dabei wird an einen Frequenzbereich
von über 100 kHz bis in den MHz-Bereich gedacht. Die erfindungsgemäßen
Sensoren können Körperschall in diesen hohen Frequenzbereichen
erfassen. Dabei können die Sensoren auf einem elektrostatischen Auswerteprinzip,
aber auch auf piezoresistiven oder piezoelektrischen Auswerteprinzipien
basieren.
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Kern
der Erfindung sind dabei sowohl mikromechanische Strukturen, die
bis in Bereiche von einigen hundert Kilohertz und sogar Megahertz
Beschleunigungen und damit Körperschall erfassen können,
als auch für diese Frequenzbereiche geeignete Auswerteschaltungen
sowie eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik und Montierungen.
Die erfindungsgemäßen Ansätze ermöglichen
es, die maximal erfassbaren Frequenzen eines Beschleunigungs- und
damit auch Körperschallsensors zu erhöhen. Somit
kann ein hochfrequenter Körperschallsensor geschaffen werden.
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Bei
den erfindungsgemäßen Körperschallsensoren
kann es sich um Beschleunigungssensoren in Form von mikro-elektro-mechanischen
Systemen handeln. Die Körperschallsensoren können
aus Silicium hergestellt werden. Die Sensorelemente können
dabei mittels bekannter Verfahren aus dem Silicium herausgeätzt
werden. Somit können die Sensorelemente bewegliche oberflachenmikromechanische
Strukturen darstellen, die auf einer Oberfläche einer Siliziumstruktur
angeordnet sind. Die Körperschallsensoren können
Feder-Masse-Systeme darstellen, die die Frequenzen des zu erfassenden
Körperschalls sensieren können. Durch den Körperschall
kann eine Auslenkung der Masse erfolgen. Die Auslenkung der Masse
kann wiederum eine Änderung einer elektrischen Kapazität
zur Folge haben. Die Kapazität kann zwischen einer an der
Masse angeordneten Elektrode und einer relativ zur Masse feststehenden
Gegenelektrode gemessen und anschließend ausgewertet werden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen Körperschallsensor,
mit folgenden Merkmalen: einer Aufhängeeinrichtung mit
einer ersten Aufhängefeder, einer zweiten Aufhängefeder
und einer Schwingmasse, wobei die Schwingmasse zwischen der ersten und
der zweiten Aufhängefeder angeordnet ist, und wobei die
Aufhängeeinrichtung eine Eigenfrequenz aufweist, die größer
als 30 KHz ist; einer Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern, die
mit der Schwingmasse gekoppelt sind; und einer Mehrzahl von zweiten
Elektrodenfingern, die von der Schwing masse entkoppelt sind, wobei
die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger ineinandergreifend angeordnet
sind.
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Bei
dem Körperschallsensor kann es sich um einen kapazitiven
Sensor handeln. Insbesondere kann der Körperschallsensor
als mikromechanisches Bauteil ausgebildet sein. Dabei können
die Elemente des Körperschallsensors in einer Ebene angeordnet sein
und mittels eines Ätzverfahrens aus einer Schicht eines
Substrats ausgeformt sein. Bei der Schwingmasse kann es sich um
ein stabförmiges Element handelt, dass zwischen den Aufhängefedern
angeordnet ist. Die Aufhängefedern können einen
zu erfassenden Körperschall aufnehmen und auf die Schwingmasse übertragen.
Dazu können die Aufhängefedern, auf einer der
Schwingmasse gegenüberliegenden Seite, mit einem Trägerelement
verbunden sein, über das der Körperschall übertragen wird.
Die Aufhängefedern können als U-Federn ausgebildet
sein. Die Aufhängefedern können eine Federsteifigkeit
aufweisen, die zusammen mit der Schwingmasse auf die Frequenz des
zu erfassenden Körperschalls abgestimmt ist. Abgestimmt
kann dabei bedeuten, dass die Eigenfrequenz der Aufhängeeinrichtung,
der Frequenz des zu erfassenden Körperschalls entspricht
oder größer als diese ist. Die ersten Elektrodenfinger
können jeweils in Form von Stäbchen ausgebildet
sein und von der Schwingmasse abstehen. Mit der Schwingmasse gekoppelt,
kann bedeuten, dass die ersten Elektrodenfinger mechanisch fest
mit der Schwingmasse verbunden sind, und somit eine Auslenkung der
Schwingmasse mit ausführen können. Die zweiten
Elektrodenfinger können ebenfalls in Form von Stäbchen
ausgebildet sein und beispielsweise fest mit dem Trägerelement
verbunden sein. Entkoppelt von der Schwingmasse kann bedeuten, dass
die zweiten Elektrodenfinger die Auslenkung der Schwingmasse nicht
mit ausführen. Somit führt eine Auslenkung der
Schwingmasse zu einer Abstandsänderung zwischen den ersten Elektrodenfingern
und den zweiten Elektrodenfingern. Die ersten Elektrodenfinger und
die zweiten Elektrodenfinger können nebeneinander und parallel zueinander
angeordnet sein. Dabei können sich die ersten und die zweiten
Elektrodenfinger überlappen. Auf diese Weise kann ein erster
Elektrodenfinger jeweils eine Elektrode und ein benachbarter zweiter Elektrodenfinger
eine zugeordnete Gegenelektrode bilden. Zwischen den ersten Elektrodenfingern
und den zweiten Elektrodenfingern kann eine Spannung angelegt werden.
Eine relative Bewegung zwischen den ersten Elektrodenfingern und
den zweiten Elektrodenfingern kann somit zu einer Änderung
der Kapazität zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten
Elektrodenfingern führen. Die zweiten Elektrodenfinger
können alle oder gruppiert, elektrisch leitend verbunden
sein. Die Kapazitätsänderung kann erfasst und
ausgewertet werden kann. Somit kann über die Kapazitätsänderung
auf die Auslenkung und somit auf eine zugrundeliegende Beschleunigung
geschlossen werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform können die ersten Elektrodenfinger
jeweils eine Eigenfrequenz aufweisen, die einer Frequenz des zu
erfassenden Körperschalls entspricht. In diesem Fall können
die Aufhängefedern eine Eigenfrequenz aufweisen, die größer
ist als die Eigenfrequenz der ersten Elektrodenfinger ist. Auf diese
Weise kann Körperschall mit einer weitaus höheren
Frequenz erfasst werden, als es bei bekannten Sensoren möglich
ist.
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Beispielsweise
können die ersten Elektrodenfinger eine Eigenfrequenz aufweisen,
die größer als 100 kHz ist. Auf diese Weise kann
Körperschall mit Frequenzen von über 100 kHz kapazitiv
erfasst werden.
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Vorteilhafterweise
kann die Schwingmasse ausgebildet sein, um eine Modenkopplung zwischen den
ersten Elektrodenfingern zu schaffen. Dazu kann die Aufhängeeinrichtung
nicht völlig fest aber trotzdem steif ausgelegt sein. Mittels
der Modenkopplung können Schwingungen der einzelnen ersten
Elektrodenfinger synchronisiert werden. Somit kann das aus den ersten
Elektrodenfingern und der Schwingmasse bestehende System auf die
Frequenz des zu erfassenden Körperschalls abgestimmt sein.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner einen Körperschallsensor,
mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern,
die mit einem Träger gekoppelt sind, wobei die ersten Elektrodenfinger
jeweils unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen; und einer Mehrzahl
von zweiten Elektrodenfingern, die mit dem Träger gekoppelt
sind, wobei die zweiten Elektrodenfinger jeweils eine Eigenfrequenz
aufweisen, die größer als die unterschiedlichen
Eigenfrequenzen der ersten Elektrodenfinger ist, und wobei die ersten
Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger ineinandergreifend
angeordnet sind.
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Mittels
diesem Körperschallsensor können sowohl Frequenzen
unterhalb von 20 kHz als auch Frequenzen oberhalb von 20 kHz bis
zu einigen Megahertz erfasst werden. Durch die unterschiedlichen Eigenfrequenzen
der ersten Elektrodenfinger kann der Körperschallsensor
ausgebildet sein, um Körperschall mit unterschiedlichen
Frequenzen zu erfassen. Dabei kann jeder der unterschiedlichen Eigenfrequenzen
einer Körperschallfrequenz zugeordnet sein, bzw. es kann
ein Körperschallfrequenzbreich abgedeckt werden,
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Um
die unterschiedlichen Eigenfrequenzen auszubilden, können
die Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern jeweils unterschiedliche
Längen und/oder Breiten aufweisen, um die unterschiedlichen
Eigenfrequenzen auszubilden.
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Beispielsweise
können die unterschiedlichen Eigenfrequenzen in einem Bereich
zwischen 100 kHz und 10 MHz liegen. Somit kann Körperschall
in diesem Frequenzbereich erfasst werden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner einen Körperschallsensor,
mit folgenden Merkmalen: einer Membran, die ausgebildet ist, um
ansprechend auf den Köperschall eine Formänderung
auszuführen; und einer Erfassungseinrichtung, die ausgebildet
ist, um die Formänderung zu erfassen.
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Ein
solcher Körperschallsensor ermöglicht höhere
Eigenfrequenzen und damit noch höhere Messbandbreiten bis
in den MHz-Bereich hinein. Der Aufbau dieses Körperschallsensors
kann ähnlich einem Drucksensor sein. Die Membran kann dabei
als Schwingmasse fungieren. Die Membran kann eine beliebige Form
aufweisen. Beispielsweise kann die Membran einen runden oder eckigen
Querschnitt aufweisen. Die Membran kann so befestigt sein, dass sich
Beschleunigungen, die durch einen zu erfassenden Körperschall
auf die Membran übertragen werden, zu einer Durchbiegung
oder Schwingung der Membran führen. Eine solche Formänderung
kann mittels der Erfassungseinrichtung erfasst werden. Die Erfassungseinrichtung
kann dazu mit der Membran verbunden oder gekoppelt sein. Beispielsweise kann
die Erfassungseinrichtung ausgebildet sein, um die Formänderung
kapazitiv oder unter Ausnutzung des Piezoeffekts zu erfassen.
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Die
Membran kann mindestens eine Durchgangsöffnung aufweisen.
Dies ist möglich, da lediglich Beschleunigungen von der
Membran aufgenommen Werden müssen. Durch die mindestens
eine Durchgangsöffnung kann die Steifheit der Membran vermindert
werden. Prozessbedingt kann die Membran eine Vorspannung aufweisen,
die zu einer Hysterese bei der Formänderung führen
kann. Ein Verlauf der Formänderung kann mittels der mindestens
einen Durchgangsöffnung linearisiert werden. Die Durchgangsöffnung
kann als eine Aussparung in einer beliebigen, beispielsweise länglichen
Form, in der Membran realisiert sein. Die Aussparung kann vollständig
innerhalb der Membran angeordnet sein, und somit eine Durchgangsöffnung
darstellen, oder mit einem äußeren Rand der Membran
verbunden sein, und somit einen Einschnitt oder eine Einbuchtung
ausformen. Beispielsweise kann die Membran eine Mehrzahl von Aussparungen
aufweisen, die in einem Randbereich der Membran angeordnet sind. Ferner
kann die Membran eine Mehrzahl von Schlitzen aufweisen, die in die
Membran hineinreichen.
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Gemäß einer
Ausführungsform kann der Körperschallsensor ein
Gehäuse aufweisen. Das Gehäuse kann einen Innenraum
aufweisen, in dem die Membran angeordnet sein kann. Dabei kann das
Gehäuse ausgebildet sein, um den Innenraum druckdicht gegenüber
einem Äußeren des Gehäuses abzuschließen.
Auf diese Weise kann die Membran zugleich vor Feuchtigkeit oder
Verschmutzungen geschützt werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform kann die Erfassungseinrichtung eine Elektrode
aufweisen, die ausgebildet ist, um eine Gegenelektrode zu der Membran
auszubilden. Somit kann eine Formänderung der Membran kapazitiv
erfasst werden.
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Alternativ
oder zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung ein piezoelektrisches
oder piezoresistives Element aufweisen, das mit der Membran gekoppelt
ist. Insbesondere kann das Piezo-Element auf einer Oberfläche
der Membran, an einer Stelle angeordnet sein, die bei der Formänderung
besonders stark gebogen wird.
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Der
erfindungsgemäße Körperschallsensor kann
eine Auswerteschaltung aufweisen oder mit einer solchen gekoppelt
sein. Die Auswerteschaltung kann einen Operationsverstärker
aufweisen, der eingangsseitig mit mindestens einer Elektrode des
Körperschallsensors verbunden sein kann. Der Operationsverstärker
kann über einen Gegenkopplungswiderstand verfügen
oder eine kapazitive Beschaltung aufweisen. Dies ermöglicht
eine analoge Auswertung der Kapazitätsänderungen.
Im Unterschied zu einer digitalen Auswertung sind hierbei keine
ho hen Abtastfrequenzen erforderlich. Ist der Körperschallsensor
auf einem Halbleiterbaustein realisiert, so kann die Auswerteschaltung
auf demselben Halbleiterbaustein integriert sein.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner eine Tragvorrichtung für
einen Körper schallsensor, mit folgenden Merkmalen: einer
ersten Koppeleinrichtung, zum Befestigen der Tragvorrichtung an
einem, den Körperschall übertragenden Körper;
einer zweiten Koppeleinrichtung, zum Befestigen des Körperschallsensors
an der Tragvorrichtung; und einem Tragelement, das ausgebildet ist,
um den Körperschall zwischen der ersten Koppeleinrichtung
und der zweiten Koppeleinrichtung zu übertragen.
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Mittels
der Tragvorrichtung kann der Körperschallsensor beispielsweise
an einer Karosserie eines Fahrzeugs befestigt werden und Körperschall
erfassen, der über die Karosserie übertragen wird.
Das Tragelement kann aus einem Material ausgebildet sein, das eine
mechanische Übertragung hoher Frequenzen, beispielsweise
im MHz-Bereich ermöglicht. Beispielsweise kann das Tragelement
aus Metall ausgeformt sein. Die erste Koppeleinrichtung kann ausgebildet
sein, um eine Schraubverbindung zu ermöglichen, über
die die Tragvorrichtung so an den Körper befestigt werden
kann, dass der Körperschall möglichst ungedämpft
von dem Körper über die Schraubverbindung auf
die Tragvorrichtung übertragen werden kann. Die zweite
Koppeleinrichtung kann einen Oberflächenbereich des Tragelements
darstellen, das geeignet ist, um eine Lötverbindung oder eine
Klebeverbindung zu dem Körperschallsensor zu ermöglichen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ferner eine neue Verwendung eines
Klopfsensors als Körperschallsensor. Dies ermöglicht
es, bereits bekannte Sensoren und Sensorprinzipien für
den neuen Einsatzbereich der Körperschallsensierung für
Airbaganwendungen einzusetzen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen
beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Körperschallsensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Körperschallsensors gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
schematische Darstellung eines Körperschallsensors gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
schematische Darstellung eines Körperschallsensors gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
schematische Darstellung einer Membran eines Körperschallsensors
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
-
6 eine
schematische Darstellung einer Membran eines Körperschallsensors
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 ein
Blockschaltbild einer Auswerteschaltung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
8 ein
Blockschaltbild einer Auswerteschaltung gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
und
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9 eine
schematische Darstellung einer Tragvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen
Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche
oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte
Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt
ein Substrat 100, auf dessen Oberfläche mikromechanische
Strukturen angeordnet sind, die einen Körperschallsensor
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung schaffen. Der Körperschallsensor weist eine erste Aufhängefeder 102,
eine zweite Aufhängefeder 104 und eine Aufhängung 106 in
Form einer Schwingmasse auf. Die Aufhängung 106 ist
in Form eines Stabes oder Streifens ausgeführt. Die erste
Feder 102 ist mit einem Ende der Aufhängung 106 verbunden.
Die zweite Feder 104 ist mit einem, der ersten Feder 102 gegenüberliegenden
Ende der Aufhängung 106 verbunden. Die erste Feder 102,
weist auf einer der Aufhängung 106 gegenüber
liegenden Seite einen Verbindungspunkt 108 auf, über
den die erste Feder 102 mechanisch fest mit dem Substrat 100 verbunden
sein kann. Die zweite Feder 104 weist auf einer der Aufhängung 106 gegenüber
liegenden Seite einen Verbindungspunkt 110 auf, über
den die zweite Feder 104 mechanisch fest mit dem Substrat 100 verbunden
sein kann. Über den Verbindungspunkt 108 kann
eine Bewegung des Substrats 100 auf die erste Feder 102 und über
die erste Feder 102 auf die Aufhängung 106 übertragen
werden. In entsprechender Weise, kann über den Verbindungspunkt 110 die
Bewegung des Substrats 100 auf die zweite Feder 104 und über
die zweite Feder 104 auf die Aufhängung 106 übertragen
werden. Somit kann die Aufhängung eine Längsbewegung
in Richtung des Verbindungspunkts 108 oder in Richtung
des Verbindungspunkts 110 ausführen.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel weist der Körperschallsensor
erster Elektrodenfinger 112 und zweite Elektrodenfinger 114, 116 auf.
Die Elektrodenfinger 112, 114, 116 können
beidseitig der Aufhängung 106 angeordnet sein.
Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 nur
einige der Elektrodenfinger 112, 114, 116 mit
den entsprechenden Bezugszeichen versehen.
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Die
ersten Elektrodenfinger 112 sind an einem ersten Ende mechanisch
fest mit der Aufhängung 106 verbunden. Ein gegenüberliegendes,
zweites Ende der ersten Elektrodenfinger 112 kann frei sein.
Auf diese Weise können die ersten Elektrodenfinger 112 die
gleichen Bewegungen ausführen, die auch die Aufhängung 106 ausführt.
Die Elektrodenfinger 112 können in Form von Stäben
oder dünnen Streifen ausgebildet sein. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel stehen die ersten Elektrodenfinger 112 senkrecht
von der Aufhängung 106 ab.
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Die
zweiten Elektrodenfinger 114, 116 können
parallel zu den ersten Elektrodenfinger 112 angeordnet
sein. Dabei können sich die ersten Elektrodenfinger 112 und
die zweiten Elektrodenfinger 114, 116 in weiten
Bereichen überlappen. Erste Enden der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 sind
der Aufhängung 106 zugewandt. Gegenüberliegende
zweite Enden der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 können mechanisch
fest mit dem Substrat 100 verbunden sein. Ferner können
die zweiten Enden der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 elektrisch
leitend mit einander verbunden sein. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel bilden die zweiten Elektrodenfinger 114, 116 zwei
Gruppen. Dabei sind die zweiten Enden der zweiten Elektrodenfinger 114 elektrisch
leitend miteinander verbunden und die zweiten Enden der zweiten
Elektrodenfinger 116 elektrisch leitend miteinander verbunden.
Somit können der zweiten Elektrodenfinger 114 und
die zweiten Elektrodenfinger 116 voneinander isoliert sein.
Entsprechende Leiterbahnen zur Verbindung der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 können
mit einer Auswerteschaltung verbunden sein, wie sie beispielsweise
in den 7 und 8 gezeigt ist. Die Auswerteschaltung
kann auf dem Substrat 100 angeordnet sein.
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Die
Elemente 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116 können
mikromechanische Strukturen darstellen, die in einer gemeinsamen
Ebene, parallel zu einer Oberfläche des Substrats 100 angeordnet
sein können. Dabei können die Federn 102, 104,
die Aufhängung 106, die ersten Elektrodenfinger 112 sowie der
Aufhängung 106 zugewandte Abschnitte der zweiten
Elektrodenfinger 114, 116 über der Oberfläche
des Substrats 100 frei beweglich angeordnet sein. Die Elemente 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116 können
beispielsweise Strukturen aus Silizium oder einem anderen Material
darstellen, die mittels eines Abscheide- und/oder Ätzverfahrens
auf dem Substrat 100 herausgebildet wurden.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel können die Federn 102, 104 eine
Rahmenstruktur aufweisen. Jeweils gegenüberliegende längere
Schenkel der Federn 102, 104 können zum
einen mit der Aufhängung 106 und zum anderen mit
den Verbindungspunkten 108, 110 verbunden sein.
Die Federn 102, 104 können so ausgeformt
sein, dass sie zusammen mit der Aufhängung 106 ein
Feder-Masse-System ausbilden, dessen Eigenfrequenz an die Frequenzen des
von dem Körperschallsensor zu erfassenden Körperschalls
angepasst ist. Dabei kann zusätzlich die Masse der mit
der Aufhängung 106 verbundenen ersten Elektrodenfinger 112 berücksichtigt
werden. Die ersten Elektrodenfinger 112 können
eine Eigenfrequenz aufweisen, die größer ist,
als die Eigenfrequenz der Aufhängeeinrichtung 102, 104, 106.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel ist benachbart zu jeweils einem ersten
Elektrodenfinger 112, auf der einen Seite ein zweiter Elektrodenfinger 114 und
auf der anderen Seite ein zweiter Elektrodenfinger 116 angeordnet.
Durch eine Bewegung des ersten Elektrodenfingers 112 verringert
sich der Abstand zu dem zweiten Elektrodenfinger 114 und vergrößert
sich der Abstand zu dem zweiten Elektrodenfinger 116, oder
umgekehrt. Diese Abstandsänderungen führen zu
einer Kapazitätsänderung, die mittels einer entsprechenden
Auswerteschaltung gemessen werden kann.
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Beispielsweise
kann die Eigenfrequenz der Aufhängung 102, 104, 106 auf
Werte zwischen 30 kHz und 300 kHz, also beispielsweise auf 30, 60,
90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300 kHz eingestellt werden. Kleinere,
größere sowie dazwischen liegende Werte sind bei
einer entsprechenden Auslegung des Feder-Masse-Systems ebenfalls
möglich. Der Körperschallsensor kann besonders
geeignet sein, um Körperschall mit der entsprechenden Frequenz zu
empfangen, auf die die Aufhängung 102, 104, 106 eingestellt.
Im Fall einer breitbandigen Körperschallsensierung wird
die Eigenfrequenz an das obere Ende des Messbereichs oder darüber
eingestellt.
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Das
in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel kann darauf
basieren, dass die Federn 102, 104 bisher verwendeter
mikromechanischer Sensorstrukturen, mit einem elektrostatischen
Auswerteprinzip, versteift werden. Dieses Verfahren kann spätestens im
Bereich der weiteren Eigenmoden der Struktur, zum Beispiel der Finger 112 seine
Grenzen erreichen.
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2 zeigt
ein Substrat 100, auf dessen Oberfläche mikromechanische
Strukturen angeordnet sind, die einen Körperschallsensor
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung schaffen. Eine Struktur des in 2 gezeigten Körperschallsensors
entspricht einer Struktur des in 1 gezeigten
Körperschallsensors, mit dem Unterschied, dass die Federn 102, 104 sowie
die ersten Elektrodenfinger 112 andere Federsteifigkeiten
und somit andere Eigenfrequenzen aufweisen.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel können die ersten Elektrodenfinger 112 eine
Eigenfrequenz aufweisen, die an die Frequenz des zu erfassenden Körperschalls
angepasst ist. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz der ersten
Elektrodenfinger 112 der Frequenz des zu erfassenden Körperschalls
entsprechen oder im Fall einer breitbandigen Körperschallsensierung
am oberen Ende des zu erfassenden Frequenzbereiches oder darüber
liegen, Beispielsweise kann die Eigenfrequenz der ersten Elektrodenfinger 112 im
Bereich von einigen 100 kHz liegen. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz
bei 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 kHz oder dazwischenliegenden
Werten liegen.
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Die
Federn 102, 104 können eine Eigenfrequenz
aufweisen, die höher als die Eigenfrequenz der ersten Elektrodenfinger 112 ist.
Dazu können die Federn 102, 104 im Vergleich
zu den in 1 gezeigten Federn kleiner ausgeführt
sein. Beispielsweise können die Federn 102, 104 eine
Länge aufweisen, die deutlich kleiner oder deutlich dicker
als in 1 ist. Die ersten Elektrodenfinger 112 können
eine Länge aufweisen, die länger ist, als jeweils über
die Aufhängung 106 hinausreichende Abschnitte
der Federn 102, 104. Beispielsweise können
die ersten Elektrodenfinger 112 eine Länge aufweisen,
die mehr als doppelt so lang ist wie die jeweils über die
Aufhängung 106 hinausreichende Abschnitte der
Federn 102, 104. Beispielsweise können Überlappungsbereiche
zwischen den ersten Elektrodenfingern 112 und den zweiten
Elektrodenfingern 114, 116 vollständig
oder zu mindestens größtenteils außerhalb
eines zwischen den Federn 102, 104 liegenden Bereichs angeordnet
sein.
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Gemäß dem
in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel können
im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
weitaus höhere erfassbare Frequenzen erreicht werden, indem
höher frequente Eigenmoden als Messeeffekt genutzt werden.
Beispielsweise können die ersten Finger 112 selbst
genutzt werden. Dabei kann die mittlere Aufhängung 106 nicht
völlig fest aber trotzdem steif ausgelegt werden. Damit
kann eine Modenkopplung der einzelnen Fingermoden der ersten Elektrodenfinger 112 erreicht
werden, die dann die gleiche Eigenfrequenz aufweisen. Die Eigenresonanz
kann dabei im Bereich von einigen 100 kHz liegen. Somit können mit
dem in 2 gezeigten Körperschallsensor Beschleunigungen
prinzipiell bis in diesen Bereich erfasst werden. Oberhalb der Eigenresonanz
kann die Empfindlichkeit schnell mit 40 dB pro Frequenzdekade abnehmen.
Die Finger der Gegenelektroden 114, 116 sollen
eine wesentlich höhere Eigenfrequenz aufweisen, als die
Messfinger 112, da sonst die Messempfindlichkeit verringert
wird. Dies kann erreicht werden, indem die Gegenelektroden 114, 116 kürzer
und/oder breiter als die Messfinger 112 sind, bzw. auch über
größere Bereiche ihrer Länge am Substrat
befestigt sein können.
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3 zeigt
ein Substrat 100, auf dessen Oberfläche mikromechanische
Strukturen angeordnet sind, die einen Körperschallsensor
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung schaffen. Im Unterschied zu den in 1 und 2 gezeigten
Körperschallsensoren sind die ersten Elektrodenfinger 112 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel nicht mit einer beweglichen Aufhängung 106 sondern
mit einem festen Träger 306 verbunden. Der Träger 306 kann
mechanisch fest mit dem Substrat 100 verbunden, beziehungsweise
ein Teil desselben sein. Auf diese Weise können durch den
zu erfassenden Körperschall hervorgerufene Beschleunigungen
in dem Substrat 100 über den Träger 306 direkt über
die mit dem Träger 306 verbundenen Enden der ersten
Elektrodenfinger 112 auf diese übertragen werden.
Die zweiten Elektrodenfinger 114, 116 können
wie in den in 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispielen an einem dem Träger 306 zugewandten
Ende frei und an einem gegenüberliegenden Ende mit dem
Substrat 100 verbunden sein. Die Eigenfrequenz der ersten
Elektrodenfinger 112 kann einer Frequenz des zu erfassenden
Körperschalls entsprechen.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel kann mit dem Körperschallsensor
Körperschall mit unterschiedlichen Frequenzen erfasst werden.
Dazu können die ersten Elektrodenfinger 112 unterschiedliche Eigenfrequenzen
aufweisen, die jeweils auf eine bestimmte Frequenz oder Frequenzbereich
eines zu erfassenden Körperschallfrequenzbereichs abgestimmt
sind.
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Die
unterschiedlichen Eigenfrequenzen der ersten Elektrodenfinger 112 können
beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die ersten Elektrodenfinger 112 unterschiedliche
Längen aufweisen. Dazu kann der Träger 306 eine
Abstufung aufweisen. Auf diese Weise, können, dem Träger 306 gegenüberliegende
Enden der ersten Elektrodenfinger 112 auf einer Linie liegen,
die parallel zu einer Linie ausgerichtet ist, auf der, dem Träger 306 zugewandten Ende
der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 liegen. Auf
diese Weise kann beispielsweise ein kürzester der ersten
Elektrodenfinger 112 eine Länge aufweisen, die
einer Länge der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 entspricht.
Ein längster der ersten Elektrodenfinger 112 kann
dagegen eine Länge aufweisen, die einer doppelten oder
auch anderem Faktor der Länge der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 entspricht.
Alternativ oder zusätzlich können die ersten Elektrodenfinger 112 in
ihrer Breite variiert werden, um die Eigenfrequenzen anzupassen.
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Die
ersten Elektrodenfinger 112 können Eigenfrequenzen
aufweisen, die in einem vorbestimmten Frequenzbereich liegen. Der
vorbestimmte Frequenzbereich kann beispielsweise einen Teilbereich darstellen,
der zwischen 100 kHz und 1 MHz liegt. Der vorbestimmte Frequenzbereich
kann beispielsweise einige 100 kHz umfassen. Liegt der vorbestimmte
Frequenzbereich beispielsweise zwischen 300 kHz und 600 kHz, so
kann ein Erster der ersten Elektrodenfinger 112 beispielsweise
eine Frequenz von 300 kHz, ein Zweiter der ersten Elektrodenfinger 112 eine
Frequenz von 400 kHz, ein Dritter der ersten Elektrodenfinger 112 eine
Frequenz von 500 kHz und ein Vierter der ersten Elektrodenfinger 112 eine
Frequenz von 600 kHz aufweisen. Dabei können die Eigenfrequenzen
der einzelnen ersten Elektrodenfinger 112 gleichmäßig
oder ungleichmäßig zwischen einer kleinsten Eigenfrequenz
und einer größten Eigenfrequenz verteilt sein.
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Der
in 3 gezeigte Körperschallsensor kann beispielsweise
dann eingesetzt werden, wenn die in 2 gezeigte
Struktur eine zu große Resonanzüberhöhung
aufweist, die sich dann störend auswirkt. Gemäß dem
in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann
die Resonanzüberhöhung vermieden werden, indem
die Eigenresonanzen der Finger 112 absichtlich über
einen Frequenzbereich verteilt werden. Dazu können die
Finger 112 in der Länge und/oder in der Breite
variiert werden. In diesem Fall kann die mittlere Aufhängung 306 auch
komplett auf dem Substrat 100 befestigt sein.
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Noch
höhere Eigenfrequenzen und damit noch höhere Messbandbreiten
bis in den MHz-Bereich können mit membranartigen Strukturen
erreicht werden, wie sie in 4 gezeigt
sind.
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4 zeigt
einen Körperschallsensor im Querschnitt gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Körperschallsensor kann es sich um einen mikromechanischen
Sensor handeln. Der Körperschallsensor weist eine Membran 412 sowie
eine Gegenelektrode 414 und zusätzlich oder alternativ
ein oder mehrere Piezoelemente 418 auf. Die Membran 412 kann
in einem Randbereich an einem Träger 422 befestigt
sein. Der Träger 422 kann auf einem Substrat 424 angeordnet sein.
Zwischen der Membran 412 und dem Substrat 424 kann
ein Hohlraum bestehen. Der Körperschallsensor kann eine
Abdeckung 426 aufweisen, die die Membran 412,
auf einer dem Substrat 424 gege nüberliegenden
Seite umschließt. Zwischen der Membran 412 und
der Abdeckung 426 kann ein Hohlraum bestehen.
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Beschleunigungen
des Substrats 424 oder der Abdeckung 426, die
beispielsweise durch einen zu erfassenden Körperschall
auf den Körperschallsensor übertragen werden,
können über den Träger 422 auf
die Membran 412 übertragen werden. Eine auf die
Membran 412 übertragene Beschleunigung kann eine
Formänderung der Membran 412 bewirken. Die Formänderung
kann beispielsweise in einer Durchbiegung der Membran 412 bestehen.
Beispielsweise kann sich die Membran 412 in Richtung der
Abdeckung 426 oder des Substrats 424 biegen. Ansprechend
auf die Beschleunigung, kann die Membran 412 auch eine
Schwingung ausführen.
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Die
Membran 412 kann vollständig in einem Innenraum
des Körperschallsensors angeordnet sein. Der Innenraum
kann gegenüber einem Äußeren des Körperschallsensors
abgeschlossen sein. Dabei kann der Innenraum auch druckdicht abgeschlossen
sein.
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Die
Gegenelektrode 414 kann auf einer der Membran 412 zugewandten
Oberfläche des Substrats 424 so angeordnet sein,
dass die Gegenelektrode 414 der Membran 412 gegenüberliegt.
Zwischen der Membran 412 und der Gegenelektrode 414 kann ein
elektrisches Feld bestehen, über das eine Formänderung
der Membran 412 detektiert werden kann. Dazu kann die Membran 412 und/oder
die Gegenelektrode 414 mit einer entsprechenden Auswerteschaltung
verbunden sein.
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Das
mindestens ein Piezoelement 418 kann direkt auf einer Oberfläche
der Membran 412 angeordnet sein. Insbesondere kann das
Piezoelement 418 in einem Bereich der Membran 412 angeordnet sein,
der ansprechend auf die Beschleunigung eine größte
Durchbiegung aufweist. Dies kann beispielsweise ein Bereich sein,
der an eine Überlappung der Membran 412 mit dem
Träger 422 anschließt. Bei dem Piezoelement 418 kann
es sich um ein piezoelektrisches oder piezoresistives Sensorelement
handeln, mit dem eine Stärke der Formänderung
der Membran 412 erfasst werden kann. In 4 sind zwei
Piezoelemente 418 gezeigt.
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Die
Membran 412 kann eine ununterbrochene und dichte Fläche
darstellen oder Öffnungen aufweisen. Beispielsweise kann
die Membran 412 zur Verringerung von Hysterese-Effekten
Aussparungen aufweisen, wie es beispielsweise in 5 gezeigt
ist, oder sie kann eine trampolinartige Struktur aufweisen, wie
es beispielsweise in 6 gezeigt ist.
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Die
Membran 412 kann ein Feder-Masse-System darstellen, dass
eine vorbestimmte Eigenfrequenz aufweist. Die Eigenfrequenz der
Membran 412 kann an eine Frequenz des zu erfassenden Körperschalls
angepasst sein. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz der Membran 412 der
Frequenz des zu erfassenden Körperschalls entsprechen.
Im Fall einer breitbandigen Körperschallerfassung kann die
Eigenfrequenz der Membran am oberen Ende oder über dem
zu erfassenden Messbereich liegen. Die Eigenfrequenz der Membran 412 kann
dabei in einem Bereich zwischen einigen Kilohertz und einigen Megahertz
liegen. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz der Membran 412 0,5,
1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5, 6 MHz oder größere,
kleinere oder dazwischen liegende Werte aufweisen. Die Frequenz des
zu erfassenden Körperschalls kann entsprechende Werte aufweisen.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel kann die Membran 112 selbst
rund oder eckig sein oder eine andere geeignete Form aufweisen.
Die Membran 112 kann dicht, das heißt undurchlässig
sein, muss aber nicht dicht sein. Sie kann also auch perforiert
sein. Damit können Drucksensorprozesse als auch Inertialsensorprozesse
zur Herstellung verwendet werden. Benötigt wird die Gegenelektrode 414,
z. B. auf dem Substrat 424 gegenüber der Membran 414 zur
elektrostatischen Auswertung oder piezoelektrische oder piezoresistive
Elemente 418 an Stellen auf der Membran 412, die
bei Auslenkung der Membran 412 große Spannungen
aufweisen und die vorzugsweise eine Wheatstonesche Brücke
zur Messwertaufnahme bilden. Die Struktur kann verkappt sein und
braucht in diesem Fall keinen Medienzugang.
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5 zeigt
eine Membran 412 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Membran 412 kann beispielsweise
in dem in 4 gezeigten Körperschallsensor
eingesetzt werden. Die Membran 412 kann einen runden, beispielsweise kreisförmigen,
aber auch eckigen Querschnitt aufweisen. Die Membran 412 kann
eine oder eine Mehrzahl von Aussparungen 530 aufweisen, die
jeweils eine Durchgangsöffnung ausbilden können.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist
die Membran 412 eine Mehrzahl von Aussparungen 530 auf.
Die Aussparungen 530 können in einem Randbereich
der Membran 412 angeordnet sein. Dabei können
die Aussparungen 530 gleichmäßig entlang
eines Umkreises der Membran 412 angeordnet sein. Die Aussparungen 530 können
einen länglichen, ovalen Querschnitt aufweisen. Die Aussparungen 530 können
jeweils, in Bezug auf einen durch die Membran 412 dargestellten
Kreis, auf einer Sekante liegen. Dabei kann jeweils ein Ende einer
jeweiligen Aussparung 530 näher an einem Rand
der Membran 412 angeordnet sein, als das gegenüberliegende
Ende der jeweiligen Aussparung 530. Einander zugewandte Ende
benachbarter Aussparungen 530 können sich überlappen.
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6 zeigt
eine Membran 412 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Membran 412 kann
beispielsweise in dem in 4 gezeigten Körperschallsensor
eingesetzt werden. Die Membran 412 kann einen eckigen,
beispielsweise rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen.
Die Membran 412 kann eine oder eine Mehrzahl von Schlitzen
aufweisen, die sich von einem Randbereich der Membran 412 in
einen Innenbereich der Membran 412 erstrecken. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel weist die Membran 412 vier
Schlitze auf, die jeweils einen Randstreifen von einem Zentralbereich
der Membran 412 abtrennen. Dazu können die Schlitze
jeweils parallel zu den Rändern der Membran 412 verlaufen.
Jeder Randstreifen kann an einem äußeren Ende
einen Verbindungsbereich 640 aufweisen. Die Verbindungsbereiche 640 können
ausgebildet sein, um die Membran 412, beispielsweise auf
dem in 4 gezeigten Träger 422 zu befestigen.
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Bei
den, in den 1 bis 4 gezeigten Körperschallsensoren,
kann eine Bewegung der Elektrodenfinger beziehungsweise der Membran
kapazitiv erfasst werden. Dazu bilden die Elektrodenfinger beziehungsweise
die Membran zusammen mit einer entsprechenden oder mehreren entsprechenden
Gegenelektroden eine oder mehrere Sensorkapazitäten, deren
Kapazität von einer geeigneten Auswerteschaltung erfasst
werden kann. Als Auswerteschaltung für die elektrostatischen
Messelemente kommen für die hier betrachteten höheren
Frequenzen Basisbandprinzipien in Betracht.
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7 zeigt
eine Auswerteschaltung gemäß eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise zusammen
mit einem erfindungsgemäßen Körperschallsensor
eingesetzt werden. Die Auswerteschaltung für die Sensorkapazitäten 750,
kann eine Vorspannungsquelle 752, einen Operationsverstärker 754 und
eine Rückkopplung, beispielsweise in Form eines Rückkoppelwiderstands 756 aufweisen.
Die Sensorkapazität 750 kann eingangsseitig mit
der Versorgungsspannung 752 und ausgangsseitig mit einem
Eingang des Operationsverstärkers 754 verbunden
sein.
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Somit
kann die variable Sensorkapazität 750 über
die Vorspannung 752 versorgt werden. Eine an der Sensorkapazität 750 abfallende
Spannung kann in den ersten Operationsverstärker 754 der
Auswerteschaltung gelangen. Der Operationsverstärker 754 kann über
den Gegenkoppelwiderstand 756 verfügen.
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8 zeigt
eine Auswerteschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise
zusammen mit einem erfindungsgemäßen Körperschallsensor
eingesetzt werden. Im Unterschied zu dem in 7 gezeigten
Ausführungsbeispiel weist die in 8 gezeigte
Auswerteschaltung keinen Rückkoppelwiderstand 756 sondern
eine kapazitive Rückkoppelung 758 auf. Somit ist
eine kapazitive Beschaltung des Operationsverstärkers 754 möglich.
In diesem Fall kann die Arbeitspunkteinstellung des Verstärkers
anderweitig erfolgen.
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Die
Aufbau- und Verbindungstechnik und die Montierung eines bis in den
MHz-Bereich messenden Beschleunigungs- bzw. Körperschallsensors muss
so steif ausgeführt werden, dass die zu messenden hohen
Frequenzen mechanisch übertragen werden können,
also die Eigenfrequenz der Montierung gleich oder über
der höchsten Messfrequenz liegt. Bei den bisher angewendeten
Verfahren werden erwartungsgemäß die Grenzen überschritten
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9 zeigt
eine Tragvorrichtung für einen Körperschallsensor,
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Die Tagvorrichtung weist einen Träger 960 auf,
an dem Körperschallsensoren 962, 964 angeordnet
werden können. Der Träger 960 kann eine
geeignete Oberflächenstruktur aufweisen, die es ermöglicht,
die Körperschallsensoren 962, 964 auf
dem Träger 960 auszurichten und zu befestigen.
Eine Ausrichtung der Körperschallsensoren 962, 964 kann dabei
in Bezug auf eine Richtung des zu erfassenden Körperschalls
erfolgen. Der Träger 960 kann ferner eine Durchgangsöffnung 966 aufweisen.
Mittels der Durchgangsöffnung 966 kann der Träger 960 an
einem Körper befestigt werden, der den zu erfassenden Körperschall überträgt.
Bei dem Körper kann es sich beispielsweise um ein Karosserieteil
eines Fahrzeugs handeln. Somit kann ein von dem Karosserieteil ausgehender
Körperschall über den Träger 960 auf
die Körperschallsensoren 962, 964 übertragen
werden. Dazu kann der Träger 960 entsprechende
Abmessungen sowie eine entsprechende Materialbeschaffenheit aufweisen,
die es ermöglichen, insbesondere diejenigen Frequenzen,
die der zu erfassende Körperschall aufweist, möglichst
ungedämpft an die Körperschallsensoren 962, 964 zu übertragen.
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Gemäß dem
in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel kann
das mikromechanische Messelement, beispielsweise ein in den 1 bis 4 gezeigter
Körperschallsensor an geeigneter Stelle 962 und/oder 964 auf
den Träger 960, z. B. aus Metall, gelötet
oder geklebt werden. Der Träger 960 kann wiederum
an geeignete Teile der Fahrzeugkarosserie geschraubt werden.
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Eine
alternative Möglichkeit einer hochfrequenten Körperschallsensierung
ist der Einsatz eines Klopfsensors. Ein solcher Klopfsensor arbeitet
mit piezoelektrischen Messelementen. Bei einem Klopfsensor, der
erfindungsgemäß zur hochfrequenten Körperschallsensierung
verwendet werden kann, werden die piezoelektrischen Messelementen
sowie die Auswerteschaltung und die Befestigung entsprechend an
die zu messenden Frequenzen angepasst ausgelegt.
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Die
beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele
können vollständig oder in Bezug auf einzelne
Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel
durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt
werden.
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Umfasst
ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung
zwischen einem ersten Merkmal und einem zweites Merkmal, so kann
dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer
Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite
Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform
entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004031557
A1 [0003]