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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Sensor zur Messung von Beschleunigung, Druck oder dergleichen, sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Mikromechanische Sensoren zur Messung einer Beschleunigung, eines Drucks oder dergleichen werden für vielfältige Anwendungen benötigt, beispielsweise werden diese in Kraftfahrzeugen für eine Messung der Beschleunigung für ein elektronisches Stabilitätsprogramm oder auch für die Entscheidung, ob ein im Fahrzeug eingebauter Airbag aufgrund eines Unfalls ausgelöst werden soll, benötigt.
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Aus der
DE 10 2008 042 358 A1 ist ein kapazitiver Beschleunigungssensor bekannt geworden. Der mikromechanische Beschleunigungssensor umfasst ein Substrat und eine über dem Substrat angeordnete mikromechanische Funktionsschicht, wobei in der mikromechanischen Funktionsschicht eine seismische Masse, eine Aufhängung und Festelektroden angeordnet sind. Die Festelektroden sind untereinander auf einer ersten beziehungsweise zweiten Seite der Aufhängung mittels vergrabener Leiterzüge elektrisch miteinander verbunden. Die Festelektroden sind zwischen der ersten und zweiten Seite der Aufhängung mittels erster und zweiter Leiter in der mikromechanischen Funktionsschicht miteinander verbunden.
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Aus der
DE 10 2004 030 038 A1 ist ein weiterer Beschleunigungssensor und ein Verfahren zum Erfassen einer Beschleunigung bekannt geworden. Der Beschleunigungssensor umfasst dabei neben einer Probemasse eine Referenzgrößenbeaufschlagungseinrichtung, die ausgebildet ist, um auf die Probemasse eine definierte Referenzgröße in Richtung der sensitiven Achse des Beschleunigungssensors auszuüben. Eine Signalverarbeitungseinrichtung ist mit einer Erfassungseinrichtung gekoppelt, um das Erfassungssignal aufgrund der Auslenkung der Probemasse zu verarbeiten, und zwar unter Kenntnis der definierten Referenzgröße, um eine Reaktion der Probemasse auf die definierte Referenzgröße zu ermitteln.
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Derartige Beschleunigungssensoren auf kapazitiver Basis erfordern eine hohe Dämpfung des Feder-Masse-Systems, um eine ausreichende Signalstabilität eines anhand einer kapazitiven Änderung erhaltenen Signals für eine Beschleunigung zu gewährleisten.
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Offenbarung der Erfindung
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Der in Anspruch 1 definierte mikromechanische Sensor zum Messen von Beschleunigung, Druck oder dergleichen umfasst eine insbesondere federnd angeordnete seismische Masse, Kraftbeaufschlagungsmittel zum Beaufschlagen der seismischen Masse mit einer Kraft, zumindest eine Wandlereinheit zum Wandeln von auf die seismische Masse einwirkenden Kräften in ein vorzugsweise elektrisches Signal, sowie eine Steuereinheit zum Steuern der Kraftbeaufschlagungsmittel, wobei die Steuereinheit die Kraftbeaufschlagungsmittel derart steuert, sodass die seismische Masse zumindest teilweise kontinuierlich mit einer periodisch variierenden Kraft beaufschlagt wird, insbesondere wobei die periodisch variierende Kraft im Wesentlichen mit einer Resonanzfrequenz der seismischen Masse moduliert wird.
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Das in Anspruch 6 definierte Verfahren zur Messung einer Beschleunigung, eines Drucks oder dergleichen, umfasst die Schritte
Einwirken einer äußeren Kraft, insbesondere einer Beschleunigung, auf die seismische Masse,
zumindest teilweise kontinuierliches Beaufschlagen einer insbesondere federnd aufgehängten seismischen Masse mit einer periodisch variierenden Kraft, insbesondere im Wesentlichen mit einer Resonanzfrequenz der seismischen Masse,
Wandeln einer Auslenkung der seismischen Masse in ein vorzugsweise elektrisches Signal,
Vergleichen einer Nulllage eines erzeugten Signals ohne Einwirken der äußeren Kraft mit einem erzeugten Signal beim Einwirken der äußeren Kraft,
Ermitteln der Beschleunigung anhand des Vergleichs der Nulllagen.
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Vorteile der Erfindung
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Der in Anspruch 1 definierte mikromechanische Sensor sowie das entsprechende Verfahren, definiert in Anspruch 6, weisen die Vorteile auf, dass damit der mikromechanische Sensor, beziehungsweise das Verfahren bei einer sehr geringen Dämpfung messen beziehungsweise durchgeführt werden kann. Gleichzeitig ist es damit möglich, den mikromechanischen Sensor mittels eines Dünnschichtkappenprozesses herzustellen. Insgesamt wird somit eine deutliche Verkleinerung des mikromechanischen Sensors erreicht und damit auch eine Temperaturabhängigkeit einer entsprechenden Auswerteschaltung des mikromechanischen Sensors reduziert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Kraftbeaufschlagungsmittel und/oder die Wandlereinheit in Form von Elektroden ausgebildet. Der Vorteil hierbei ist, dass damit eine einfache und kostengünstige Herstellung der Kraftbeaufschlagungsmittel und/oder der Wandlereinheit möglich ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Kraftbeaufschlagungsmittel zur Übertragung der Kraft auf Endbereiche der seismischen Masse angeordnet. Der Vorteil ist, dass damit eine zuverlässige und gleichzeitig optimale Anregung beziehungsweise Beaufschlagung der seismischen Masse mit der periodisch variierenden Kraft mittels der Kraftbeaufschlagungsmittel ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die seismische Masse im Wesentlichen mittig eine Aufhängung, mit der die seismische Masse an einem Substrat angeordnet ist. Der Vorteil hierbei ist, damit die Masse im Bereich des Schwerpunktes aufgehängt ist und diese somit in optimaler Weise beweglich angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Kraftbeaufschlagungsmittel und die zumindest eine Wandlereinheit benachbart zueinander angeordnet. Der Vorteil dabei ist, dass damit der Bauraum für den mikromechanischen Sensor insgesamt weiter verkleinert wird.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das periodische Variieren der Größe der Kraft sinusförmig, rechteckförmig und/oder sägezahnförmig. Der Vorteil hierbei ist, dass die Anregung der seismischen Masse mit einer Kraft an verschiedene Anforderungen und auch an die seismische Masse selbst, beispielsweise hinsichtlich ihres Schwingverhaltens aufgrund ihrer räumlichen Ausgestaltung beziehungsweise Form optimal angepasst werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen mikromechanischen Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung;
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2 ein Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
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3 einen mikromechanischen Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sowie
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4 ein Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen beziehungsweise funktionsgleiche Elemente, soweit nichts anderes beschrieben ist.
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1 zeigt einen mikromechanischen Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung. In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine seismische Masse, die mittig jeweils links und rechts seitlich über Federn F an einem Substrat S federnd angeordnet ist. Des Weiteren sind in 1 jeweils auf der linken und auf der rechten Seite jeweils oben und unten Antrieb-Wandlereinheiten Wa, Wb angeordnet. Die Antrieb-Wandlereinheiten Wa, Wb sind über Verbindungen 5a, 5b jeweils oben und unten und jeweils auf der linken und auf der rechten Seite der seismischen Masse 1 angeordnet und mit dieser verbunden. Die Antriebs-Wandlereinheiten Wa, Wb sind derart ausgebildet, sodass auf der der seismischen Masse 1 abgewandten Seite jeweils drei Elektroden 3a, 3b angeordnet sind, die in Aussparungen 17 der Antrieb-Wandlereinheiten Wa, Wb hineinragen. Auf der der seismischen Masse 1 zugewandten Seite der jeweiligen Antrieb-Wandlereinheit Wa, Wb ragen Detektionselektroden in entsprechenden Aussparungen 17 in die Antrieb-Wandlereinheit Wa, Wb hinein. Aufgrund der Aufhängung 5a, 5b die ebenfalls in einer Aussparung 17 angeordnet ist, sind jedoch nur zwei Detektionselektroden 4a, 4b auf dieser Seite angeordnet. Die seismische Masse 1 kann nun durch wechselseitige Pulse mittels der Antriebselektroden 3a, 3b zu Schwingungen angeregt werden. Anhand der Detektionselektroden 4a, 4b können dann entsprechende Änderungen der Kapazität der Detektionselektroden 4a, 4b abgegriffen werden. Dabei sind die Detektions- und Antriebselektroden beziehungsweise allgemein die Antrieb-Wandlereinheiten Wa, Wb mit entsprechenden Steuer- und Auswertemitteln (nicht gezeigt) verbunden. Detektions und Antriebselektroden können in ihrer Position auch vertauscht sein.
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2 zeigt ein Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 2 ist ein x-y-Diagramm gezeigt, wobei auf der x-Achse die Zeit aufgetragen ist und auf der y-Achse die Stärke 10 eines mit den Detektionselektroden 4a, 4b abgegriffenen elektrischen Signals 11. Das abgegriffene Signal 11 weist dabei einen sinusförmigen Verlauf auf mit Nulldurchgängen N1, N2, N3. Für t = 0 Sekunden ist die Stärke des Signals 11 Null, das heißt das Signal 11 weist die Nullstelle N1 auf. Für t > 0 Sekunden steigt das Signal 11 zunächst an, erreicht einen Höhepunkt und fällt dann wieder unter Durchquerung einer zweiten Nullstelle N2, abfällt weiter ab bis zu einem Tiefpunkt, steigt wieder an und erreicht eine weitere Nullstelle N3.
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Der Verlauf des Signals 11 entspricht einem elektrischen Signal, wenn auf die seismische Masse 1 keinerlei äußere Kräfte, beispielsweise eine Beschleunigung, einwirken. Die Zeitspanne zwischen den beiden Nulldurchgängen N1, N2, im Folgenden mit t1 bezeichnet, und den Nulldurchgängen N2, N3, im Folgenden mit t2 bezeichnet ist, dabei gleich, das heißt t1 = t2. Bei jedem Nulldurchgang N1, N2, N3 wird ein Puls P1, P2, P3 erzeugt und wechselseitig auf die Antriebselektroden 3a, 3b geleitet, sodass die seismische Masse 1 kontinuierlich schwingt beziehungsweise zu Schwingungen angeregt wird.
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In 2b ist ein entsprechendes x-y-Diagramm gemäß 2a gezeigt, wobei nun der Verlauf des Signals 11 ohne äußere Beschleunigung als gestrichelte Linie dargestellt ist und zusätzlich ein Signalverlauf 12 dargestellt ist, bei dem eine äußere Beschleunigung auf die seismische Masse 1 einwirkt. Durch die äußere auf die seismische Masse 1 einwirkende Beschleunigung ist der Signalverlauf 12 gegenüber dem Signalverlauf 11 um eine negative vertikale Verschiebung V versetzt, bei sonst im Wesentlichen gleichem Signalverlauf wie der Signalverlauf 11 ohne eine äußere auf die seismische Masse 1 einwirkende Beschleunigung. Dadurch sind die Nulldurchgänge N1', N2', N3' des Signals 11 gegenüber den Nulldurchgängen N1, N2, N3 des Signals 11 verschoben. Die Zeit t1' zwischen den aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen N1', N2' des Verlaufs 12 ist nun aufgrund der negativen vertikalen Verschiebung V des Verlaufs 11 kleiner als die Zeit t2' zwischen den beiden Nulldurchgängen N2, N3 des Verlaufs 12. Anhand dieser Differenz Δt = t1' – t2' wird die auf die seismische Masse 1 wirkende Beschleunigung ermittelt und ein entsprechendes Beschleunigungssignal durch eine Auswerteeinheit zur Verfügung gestellt werden.
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Die mit dem Verfahren zu erreichende Empfindlichkeit ist umgekehrt proportional zur Amplitude der schwingenden Masse 1 und umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Winkelgeschwindigkeit der seismischen Masse 1. Soll beispielsweise eine Zeitauflösung von 25 ps erreicht werden und schwingt die Masse mit einer Amplitude von einem 1 μm und weist eine Resonanzfrequenz von 10 kHz auf, ergibt sich eine Beschleunigungsauflösung von circa 160 Mikro-g. Diese kann beispielsweise durch Mittelwertbildung noch weiter verbessert werden, insbesondere falls die Resonanzfrequenz beziehungsweise eine entsprechende Periodendauer sich deutlich von der zeitlichen Variation der Beschleunigung, die auf die seismische Masse 1 einwirkt, unterscheidet. Durch die Mittelung können ebenfalls hochfrequente Störungen unterdrückt werden. Gleichzeitig wird damit auch eine Temperaturstabilität einer Auswerteschaltung verbessert. Typischerweise treten bei einer Zeitmessung über einen Oszillator Temperaturdriften auf. Diese verändern eine Zeitbasis für die Messung eines von den Detektionselektroden 4a, 4b bereitgestellten Signals. Wird nun zusätzlich ein Verhältnis der Differenz t1 – t2 und einer Gesamtperiodendauer T = T1 + T2 beziehungsweise T1 + T2 gebildet, ist die Empfindlichkeit des Verfahrens beziehungsweise des mikromechanischen Sensors A nicht mehr von einer bestimmten Zeitbasis abhängig. Dadurch können die Bauteile für die Auswerteschaltung auch deutlich kleiner ausgeführt werden.
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3 zeigt einen mikromechanischen Sensor mit einer dritten Ausführungsform mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3a ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des mikromechanischen Sensors A. Die seismische Masse 1 weist dabei zentral eine Aussparung 16 auf, die gegenüber dem Schwerpunkt der seismischen Masse 1 seitlich verschoben ist. In der Aussparung 16 ist eine Torsionsfeder F2 angeordnet, die mit einer Masse 17 verbunden ist. Die Masse 17 kann dabei senkrecht zur Aufhängung der Masse 17 durch die Torsionsfeder F2 schwingen. In 3a, 3b sind weiter seitlich der seismischen Masse 1 parallel zur senkrecht verlaufenden Achse der Torsionsfeder F2 Antrieb- und Detektionselektroden 4a, 4b angeordnet.
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3b zeigt eine Seitenansicht gemäß 3a. Die Masse 17 steht dabei senkrecht zur seismischen Masse 1 gemäß 3b nach unten vor. Parallel zur seismischen Masse 1 und senkrecht zur Anordnung der Masse 17 sind die Antriebselektroden 3a, 3b und Detektionselektroden 4a, 4b beabstandet jeweils von der seismischen Masse 1, der Masse 17 als auch voneinander angeordnet. Wird die Masse 17 nun durch eine Beschleunigung aus ihrer Ruhelage ausgelenkt, wird dies durch die Detektionselektroden 4a, 4b gemessen. Gleichzeitig kann, wie zu 2 beschrieben, die Masse 17 über die Antriebselektroden 3a, 3b auch, beispielsweise mit einer sinusförmigen Frequenz zu sinusförmigen Schwingungen angeregt werden. Entsprechend dem in 2 beschriebenen Verfahren können dann auch Beschleunigungen senkrecht zur Ebene des mikromechanischen Sensors A gemessen werden.
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In 3c ist eine alternative Ausführungsform für 3b gezeigt. Im Gegensatz zur 3b sind die Antriebs- und Detektionselektroden 3a, 3b, 4a, 4b voneinander beabstandet angeordnet. Dabei sind die Detektionselektroden 4a, 4b benachbart zur seismischen Masse 1 angeordnet. Die Antriebselektroden 3a, 3b sind ebenfalls parallel zur seismischen Masse 1 angeordnet, jedoch weiter entfernt von der Masse 17, die senkrecht von der seismischen Masse 1 gemäß 3c, hervorsteht.
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4 zeigt ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 4 ist ein x-y-Diagramm gezeigt, entsprechend der 2a. Eingezeichnet in 4a ist der Verlauf eines von den Detektionselektroden 4a, 4b bereitgestellten Signals 12, wobei die seismische Masse 1 zu sinusförmigen Schwingungen angeregt wird und auf die seismische Masse 1 eine Beschleunigung einwirkt. Im Unterschied zu 3d wird nun nicht die jeweilige Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen gemessen, sondern es wird ein zeitlich konstantes Signal B1 erzeugt, wenn das Signal 12 positiv ist, das heißt, zwischen den Nullstellen N1' und N2' und ein entsprechendes zweites Signal B2 zwischen den Nullstellen N3', N4' jeweils für die entsprechende Zeitdauer. Ist das Signal 12 negativ, das heißt, das Signal 12 befindet sich zwischen den Nullstellen N2', N3' beziehungsweise N4', N5', wird kein Signal erzeugt. In 4b ist nun der zeitliche Verlauf der erzeugten Signale B1, B2 gezeigt. Im Wesentlichen entspricht der dieses Signals 10D einer Digitalisierung des sinusförmigen Signals 12. Wird dieses digitalisierte Signal 10D nun tiefpassgefiltert, stellt dies im Wesentlichen eine Mittelwertbildung des digitalisierten Signals 10D dar, so dass damit ein Beschleunigungssignal 15 bereitgestellt werden kann.
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Darüber hinaus ist es möglich, die seismische Masse 1 auch in einem nicht-resonanten Zustand zu betreiben, um eine von außen auf die seismische Masse 1 einwirkende Beschleunigung zu messen. Hierfür werden dann weitere periodische Signale verwendet. Die gemäß 1a vorgesehenen Antrieb-Wandlereinheiten 4a, 4b kommen dabei auch mittels Plattenantrieben anstelle der kammartigen Antriebe der Antriebs-Wandlereinheiten 4a, 4b ausgeführt sein. Zusätzlich können, um eine bessere Kontrolle einer Dämpfung der seismischen Masse 1 zu erreichen, statische Kämme zur Erhöhung der Dämpfung integriert werden. Diese können auch dazu dienen, zusätzliche Messungen bei Auslenkung der seismischen Masse 1 vorzunehmen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehender Hand bevorzugter Beispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Bei der gemäß 3 dargestellten können Ausführungsform die Antriebs- beziehungsweise Detektionselektroden 3a, 3b, 4a, 4b sowohl für einen Antrieb als auch für eine Detektion der Auslenkung der seismischen Masse 1 mittels eines Zeit-Multiplex-Verfahrens verwendet werden. Selbstverständlich ist es dabei auch möglich, diese Funktionen voneinander zu trennen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008042358 A1 [0003]
- DE 102004030038 A1 [0004]
