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Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor mit einer in einer Aufnahme angeordneten ferromagnetischen Flüssigkeit, die durch eine äußere Kraft relativ zu der Aufnahme aus einer Ruhelage in eine Arbeitslage verlagerbar ist, wobei die Flüssigkeit permanentmagnetisch magnetisiert ist und/oder der Beschleunigungssensor zum Erzeugen eines die Flüssigkeit durchsetzenden Magnetfelds einen Magnetfelderzeuger aufweist, und wobei zur Feststellung einer Verlagerung der Flüssigkeit an der Aufnahme eine Magnetfeld-Detektoreinrichtung angeordnet ist.
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Ein derartiger Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor ist aus
DE 10 2006 007 900 B4 bekannt. Der Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor hat als Aufnahme ein geschlossenes Gehäuse, das eine Innenhöhlung umgrenzt, die etwa zur Hälfte mit der ferromagnetischen Flüssigkeit befüllt ist. Unter dem Boden des Gehäuses ist ein Permanentmagnet angeordnet, deren magnetisches Feld die Flüssigkeit durchsetzt. Zur Feststellung einer Verlagerung der Flüssigkeit weist der Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor eine Magnetfeld-Detektoreinrichtung mit zwei Hallsensoren auf, die zwischen dem Gehäuse und dem Permanentmagneten angeordnet sind. Der Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor hat den Nachteil, dass sich die Flüssigkeitsverteilung in der Innenhöhlung des Gehäuses und damit das magnetische Feld an den Hall-Sensoren beim Auftreten kleiner äußerer Kräfte nur geringfügig verändert. Daher ermöglicht der Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor nur eine begrenzte Empfindlichkeit.
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Ein weiterer Sensor ist aus der
US 6 583 725 B2 bekannt. Hierbei wird die Beschleunigung oder Neigung unter anderem mittels einer magnetisch ausgebildeten Flüssigkeit detektiert. Die Flüssigkeit fließt hierbei von einem ersten Gehäuseteil in einen zweiten Gehäuseteil. Um eine Auslaufen der Flüssigkeit zu verhindern, ist das Gehäuse gegenüber der Umgebung abgeschlossen.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
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Die Aufgabe wird durch einen Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor offenbart, mit einer in einer Aufnahme angeordneten ferromagnetischen Flüssigkeit, wobei die Aufnahme eine Ruhelage für die Flüssigkeit ausbildet, und die Flüssigkeit permanentmagnetisch magnetisiert ist und zur Feststellung einer Verlagerung der Flüssigkeit an der Aufnahme eine Magnetfeld-Detektoreinrichtung angeordnet ist, und wobei durch eine äußere Kraft ein Teil der Flüssigkeit relativ zu der Aufnahme aus der Ruhelage in eine Arbeitslage unter Beibehaltung einer zusammenhängenden Oberfläche mit dem in der Ruhelage verbleibenden Teil der Flüssigkeit verlagerbar ist und die Flüssigkeit nach Entfernen der äußeren Kraft in die Ruhelage zurückkehrt.
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Ein Vorteil der Vorrichtung ist es, dass die Flüssigkeit nur teilweise aus der Ruhelage bzw. der Aufnahme verlagert wird. Unter Verlagerung wird hierbei ausschließlich eine Verformung der Oberfläche der Flüssigkeit verstanden, derart, das der ausgelenkte Teil der Flüssigkeit nicht ausläuft, d. h. eine gemeinsame Oberfläche mit dem in der Aufnahme verbleibenden Teil der Flüssigkeit ausbildet.
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Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, das bei ausreichender Oberflächenspannung und geeigneter Haftung der Flüssigkeit in der Aufnahme, die Flüssigkeit als Meniskus ausgebildet ist und ein den Meniskus begrenzende Ausformungen insbesondere als Gehäuseteile ausgebildete Ausformungen obsolet sind.
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In einer Weiterbildung ist die Aufnahme als offenes Gehäuse ausgebildet, in der Art, dass die Aufnahme mindestens eine seitliche Öffnung aufweist, in die ein Teil bereicht der in der Ruhelage befindlichen Flüssigkeit durch die äußere Kraft verlagerbar ist. Hierdurch ist der Sensor insbesondere gegen stoßförmige Beschleunigungen robuster ausgebildet. Die Gehäuseteile lassen sich bevorzugt aus einem Kunststoff ausfertigen. Insbesondere lassen sich hierzu solche Kunststoffe, wie insbesondere SU8 Lack, Polyimid und PMMA, verwenden, welche sich mittels lithographischen Prozessen in der Halbleiterfertigung bearbeiten lassen. Der Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor lässt sich vorzugsweise als ein integrierter Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor ausbilden. Hierzu wird die Aufnahme auf einer Waferoberfläche ausgebildet. An wenigstens einer Stelle an der Aufnahme, an der das Gehäuse eine Öffnung aufweist, ist ein Magnetfeldsensor, vorzugsweise ein Hallsensor, in die Waferoberfläche integriert. Hierbei lassen sich auch mehrere unterschiedliche orientierte Magnetfeldsensoren ausbilden, um die unterschiedlichen Richtungen einer Krafteinwirkung zu detektieren. Vorzugsweise werden die Magnetfeldsensoren eng benachbart zu der in der Ruhelage der Flüssigkeit ausgebildet.
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Vorzugsweise erfolgt die Herstellung des Beschleunigungs- und/oder Neigungssensors, insbesondere die Teile des Beschleunigungs- und/oder Neigungssensors welche nicht die Magnetfeldsensoren umfassen, als mikro fluidische Struktur in einem Backend CMOS Prozess. Derartige mikro fluidischen Strukturen können durch hochauftragende Lackschichten wie beispielsweise SU8, Polyimid, PMMA oder durch Laminier Techniken oder Bondtechniken aufgebracht werden. Anschließend werden die Kanalstrukturen vorzugsweise gedeckelt und mit dem ferro Fluid befüllt. Alternativ können die mikro fluidischen Strukturen auch an der Substratunterseite angebracht oder mittels Bulksilizium-mikromechanik in das Substrat geätzt werden. Die Beweglichkeit des ferro Fluids auf der Substratoberfläche, insbesondere der Waferoberfläche lässt sich durch eine gezielte Oberflächenmodifikation eingestellt werden, in der Art, dass die Benetzung, d. h. der Kontaktwinkel des Meniskus zwischen der Substratoberfläche und dem Ferro Fluid entweder zu oder abnimmt.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, die Abmessung der Öffnung und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit aufeinander abzustimmen. Hierdurch lassen sich Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Oberflächenspannungen verwenden. Des Weiteren lassen sich unterschiedliche Beschleunigungs- und/oder Neigungswinkelbereiche durch den Sensor erfassen. Es versteht sich, dass bei zu messenden großen Beschleunigungsbereichen die Öffnungen bei gegebener Oberflächenspannung vergleichsweise kleiner auszuführen sind, als bei zu detektierenden kleinen Beschleunigungsbereichen.
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In einer anderen Weiterbildung ist der Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor mit einer in einer Aufnahme angeordneten ferromagnetischen Flüssigkeit ausgebildet, die durch eine äußere Kraft relativ zu der Aufnahme aus einer Ruhelage in eine Arbeitslage verlagerbar ist, wobei die Flüssigkeit permanentmagnetisch magnetisiert ist und wobei zur Feststellung einer Verlagerung der Flüssigkeit an der Aufnahme ein Magnetfeld-Detektoreinrichtung angeordnet ist, wobei die Aufnahme mindestens eine seitliche Öffnung aufweist, in die ein Teilbereich der in Ruhelage befindlichen Flüssigkeit durch die äußere Kraft verlagerbar ist, und dass die Abmessung der Öffnung und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Flüssigkeit nach Entfernen der äußeren Kraft in die Ruhelage zurückkehrt.
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Eine derartige Flüssigkeit ist auch unter der Bezeichnung „Ferrofluid” bekannt. Wenn die Flüssigkeit beschleunigt wird, verlagert sie sich zumindest bereichsweise und verändert dadurch ihre Form. Diese Formänderung bewirkt eine Änderung des Magnetfelds in der Umgebung der Flüssigkeit, welche mit Hilfe der in dem Magnetfeld angeordneten Magnetfeld-Detektoreinrichtung gemessen wird, um die Verlagerung der Flüssigkeit und damit die Beschleunigung zu detektieren. Da die Flüssigkeit beim Auftreten eine Beschleunigung und/oder Neigung an der Öffnung aus der Aufnahme austreten kann, ergibt sich in der Aufnahme eine relativ große Füllstandänderung der Flüssigkeit. Daher ermöglicht der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor einen einfachen und kostengünstigen Aufbau. Der erfindungsgemäße Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor kann auch als Erschütterungssensor eingesetzt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Aufnahme eine mit der in Ruhelage befindlichen Flüssigkeit in Kontakt stehende, für die Flüssigkeit benetzende Wandung auf, wobei in und/oder hinter der Öffnung eine für die Flüssigkeit entnetzende Oberfläche angeordnet ist, mit der die Flüssigkeit in der Arbeitslage in Kontakt steht. Durch die unterschiedliche strukturierten Flächen, nämlich die benetzende Wandung einerseits und die entnetzende Oberfläche andererseits, wird ein seitliches Zerfließen und/oder Wegfließen der Flüssigkeit verhindert und die Flüssigkeit somit auch beim Auftreten einer Beschleunigung zusammengehalten: Im Wesentlichen verbleibt die Flüssigkeit dabei in der Aufnahme, wobei sie jedoch mit einem Randbereich die entnetzende Oberfläche überragen kann.
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Vorteilhaft ist, wenn die Aufnahme einen Boden aufweist und wenn die Magnetfeld-Detektoreinrichtung mindestens einen Magnetfeldsensor aufweist, der in den Boden eingelassen ist. Der Boden der Aufnahme kann dabei insbesondere durch die Oberfläche eines Halbleiterchips gebildet sein, in den der Magnetfeldsensor monolithisch integriert ist. Der Beschleunigungssensor ist dadurch noch kostengünstiger herstellbar.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Magnetfeld-Detektoreinrichtung mindestens einen Magnetfeldsensor auf, der derart in und/oder hinter der Öffnung angeordnet ist, dass der beim Auftreten der äußeren Kraft aus der Aufnahme ausgelenkte Teil der Flüssigkeit den Magnetfeldsensor in der Arbeitslage überdeckt. Bei einer Verlagerung der Flüssigkeit zu dem Magnetfeldsensor hin, nimmt dann die magnetische Feldstärke an dem Magnetfeldsensor zu, während sie bei einer Verlagerung der Flüssigkeit von dem Magnetfeldsensor weg, abnimmt.
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Vorteilhaft ist, wenn mehrere Magnetfeldsensoren in einer Sensorreihe nebeneinander angeordnet sind, und wenn die Sensorreihe den Boden umgrenzt. Dadurch ist es möglich, mit Hilfe der Messsignale der Magnetfeldsensoren die Richtung, in der die äußere Kraft wirkt, zu ermitteln.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Aufnahme einen mit der Flüssigkeit befüllten Kanal auf, wobei die Öffnung an mindestens einer Stirnseite des Kanals vorgesehen ist. Bei einem Beschleunigungssensor zur Messung einer linearen Beschleunigung weist der Kanal bevorzugt einen geraden Verlauf auf. Bei einem Beschleunigungssensor zur Messung einer Winkelbeschleunigung erstreckt sich der Kanal bevorzugt entlang einer zu der Achse der Beschleunigung konzentrischen Kreisbahn.
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Vorteilhaft ist, wenn die Aufnahme mehrere Seitenbegrenzungsvorsprünge aufweist, die einen Aufnahmeraum für die Flüssigkeit be- oder umgrenzen, und wenn die Öffnungen zwischen den Seitenbegrenzungsvorsprüngen angeordnet sind. Der Abstand, den die Seitenbegrenzungsvorsprünge zueinander haben, ist dabei so gewählt, dass die Flüssigkeit durch die externe Kraft in die Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen auslenkbar ist, ohne aus dem Aufnahmeraum auszulaufen. Nach Entfernen der externen Kraft nimmt die Flüssigkeit wieder ihre ursprüngliche Lage und Form ein.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Aufnahme mehrere Öffnungen auf, die in unterschiedliche Richtungen von Zentrum der Aufnahme beabstandet sind. Der Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor ermöglicht dadurch eine noch größere Empfindlichkeit.
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Zweckmäßigerweise sind mehrere der durch Öffnungen voneinander beanstandeten Seitenbegrenzungsvorsprünge in einer Reihe nebeneinander angeordnet, wobei diese Reihe den Aufnahmeraum für die Flüssigkeit ringförmig oder in Form eines Ringabschnitts umgrenzt. Die Flüssigkeit kann dann in unterschiedlichen Richtungen aus einer Ruhelage ausgelenkt werden. Die Seitenbegrenzungsvorsprünge sind vorzugsweise entlang eines Kreisrings angeordnet.
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Zweckmäßigerweise hat der Aufnahmebereich einen Deckel, der den Aufnahmeraum überdeckt und über die Seitenbegrenzungsvorsprünge mit dem Boden verbunden ist. Die Flüssigkeit ist dann besser in dem Aufnahmeraum eingesperrt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verjüngt sich der Querschnitt der Seitenbegrenzungsvorsprünge in einer parallel zur Ebene des Bodens verlaufenden Ebene, jeweils ausgehend von dem von der in Ruhelage befindlichen Flüssigkeit entfernten Ende des Seitenbegrenzungsvorsprungs zur Flüssigkeit hin. Dadurch ergibt sich zwischen den Seitenbegrenzungsvorsprüngen und der Flüssigkeit nur eine relativ kleine Berührungsfläche, so dass sich die Flüssigkeit beim Auftreten einer Beschleunigung leicht verlagern und/oder ihre Form verändern kann.
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Zweckmäßigerweise hat die Magnetfeld-Detektoreinrichtung mindestens einen Magnetfeldsensor, der als Hallsensor ausgestaltet ist. Dabei ist es sogar möglich, dass die Magnetfeld-Detektoreinrichtung mehrere Hallsensoren umfasst, deren Hallplatten in unterschiedliche Richtungen und insbesondere orthogonal zueinander ausgerichtet sind, um unterschiedliche Komponenten des Magnetfelds zu messen. Die Magnetfeld-Detektoreinrichtung kann mindestens einen vertikalen und/oder mindestens einen horizontalen Magnetfeldsensor aufweisen.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher zu erläutert. Es zeigt:
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1 eine Aufsicht auf einen Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor, der ein Ferrofluid aufweist, das seine Lage in Abhängigkeit von der Beschleunigung ändert, wobei sich das Ferrofluid in einer Ruhelage befindet,
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2 eine Darstellung ähnlich 1, wobei jedoch das Ferrofluid durch eine Beschleunigungskraft aus der Ruhelage ausgelenkt ist,
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3 einen Längsschnitt durch den des in 1 und 2 gezeigten Beschleunigungs- und/oder Neigungssensors,
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4 eine Aufsicht auf einen Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor, bei dem um das in Ruhelage befindliche Ferrofluid herum mehrere Seitenbegrenzungsvorsprünge und Magnetfeldsensoren angeordnet sind,
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4a eine schematische Schnittzeichnung entlang der Linie CS des Sensors der 4,
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5 eine Darstellung ähnlich 4, wobei jedoch das Ferrofluid durch eine Beschleunigungskraft aus der Ruhelage ausgelenkt ist,
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6 eine Aufsicht auf einen Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor, der unter dem Ferrofluid einen Magnetfeldsensor aufweist, wobei sich das Ferrofluid in Ruhelage befindet,
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7 eine Darstellung ähnlich 6, wobei jedoch das Ferrofluid durch eine seitliche Beschleunigungskraft aus der Ruhelage ausgelenkt ist,
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8 eine Aufsicht auf einen Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor, bei dem um das in Ruhelage befindliche Ferrofluid herum vier horizontale und zwei vertikale Hallsensoren herum angeordnet sind, und
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9 eine Aufsicht auf einen Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor, der fünf horizontale und zehn vertikale Hallsensoren aufweist,
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10 eine Aufsicht auf einen Sensor, der eine Aufnahme ohne Gehäuseteile macht.
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Ein im Ganzen mit 1 bezeichneter Beschleunigungssensor weist eine ferromagnetische Flüssigkeit 2 auf, die entlang einer Magnetisierungsachse 3 magnetisiert ist. Die Magnetisierung kann durch in der Flüssigkeit enthaltene permanentmagnetische Partikel aus Eisen, Nickel und/oder Kobalt bewirkt sein, die durch einen Initialisierungsschritt mit Hilfe eines starken Magnetfelds entlang einer Magnetisierungsachse 3 ausgerichtet wurden.
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Die Flüssigkeit 2 ist derart in einer Aufnahme eingeordnet, dass sie durch eine auf den Beschleunigungssensor 1 einwirkende Beschleunigung relativ zu der Aufnahme verlagerbar ist. Zur Feststellung einer Verlagerung der Flüssigkeit 2 ist in die Aufnahme eine Magnetfeld-Detektoreinrichtung integriert.
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Bei dem in 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Aufnahme einen Kanal 4 auf, dessen Längsachse in der Magnetisierungsachse angeordnet ist oder parallel dazu verläuft. Der Kanal 4 wird von einer Wandung 5 umgrenzt, die an ihrer der Flüssigkeit 2 zugewandten Innenfläche etwa zylindrisch ausgestaltet ist. Die dem Kanal 4 zugewandte Innenfläche der Wandung 5 ist für die Flüssigkeit 2 benetzend. Das kann dadurch erreicht werden, dass die Wandung 5 aus einem benetzendem Material besteht oder an ihrer Innenseite mit einem solchen beschichtet ist. Es ist aber auch möglich, dass die Wandung 5 an ihrer Innenfläche eine, für die Flüssigkeit 2 benetzende Strukturierung aufweist.
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An seinen einander abgewandten Stirnseiten weist der Kanal 4 jeweils eine Öffnung 6 auf, deren Abmessungen den lichten Querschnittsabmessungen des Kanals 4 entsprechen. Die Querschnittsabmessungen des Kanals 44 und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit 2 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Flüssigkeit 2 in dem Kanal 4 zusammengehalten wird.
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In 2 ist erkennbar, dass sich Flüssigkeit 2 beim Auftreten einer parallel zur Längserstreckungsrichtung des Kanals 4 in Richtung des Pfeils 8 weisende Beschleunigung in Längserstreckungsrichtung des Kanals 4 relativ zu der Wandung 5 verlagert. Dabei tritt an einer ersten Öffnung 6 ein Teil der Flüssigkeit 2 entgegen einer durch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit 2 bewirkten Rückstellkraft aus dem Kanal 4 aus. Aufgrund der Oberflächenspannung ist die Oberfläche des aus der ersten Öffnung 6 herausragenden Teils der Flüssigkeit konvex gewölbt.
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An der gegenüberliegenden zweiten Öffnung 7 bewegt sich die Flüssigkeit 2 beim Auftreten der Beschleunigung von der zweiten Öffnung 7 weg in Richtung auf die erste Öffnung 6 zu. Dadurch entsteht an der zweiten Öffnung in dem Kanal 4 ein Bereich, der nicht mit der Flüssigkeit 2 befüllt ist. Der der zweiten Öffnung 7 zugewandte Oberflächenbereicht der Flüssigkeit 2 ist aufgrund der Oberflächenspannung konkav gewölbt.
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Erwähnt werden soll noch, dass die Magnetisierungsachse 3 bei dem in 1–3 gezeigten Ausführungsbeispiel auch normal zur Ebene des Halbleiterchips 9 angeordnet sein kann.
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Der Kanal 4 ist auf einem Halbleiterchip 9 angeordnet und verläuft mit seiner Längserstreckungsrichtung etwa parallel zur Erstreckungsebene des Halbleiterchips 9. In dem Halbleiterchip ist ein Magnetfeldsensor 10 monolithisch integriert, vorzugsweise ein Hallsensor. Wie in 2 und 3 erkennbar ist, ist der Magnetfeldsensor 10 derart seitlich zu einer geraden Verlängerung des Kanals 4 angeordnet, dass der beim Auftreten der Beschleunigung aus dem Kanal 4 ausgelenkte Teil der Flüssigkeit 2 den Magnetfeldsensor 10 bereichsweise überdeckt. Beim Auftreten einer in Richtung der Magnetisierungsachse wirkenden Beschleunigung verändert sich dadurch das den Magnetfeldsensor 10 durchsetzende Magnetfeld, was in einer Änderung des Messsignals des Magnetfeldsensors 10 resultiert. Unter einer Beschleunigung wird auch die Erdbeschleunigung verstanden.
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Um eine Benetzung der Oberfläche 11 des Halbleiterchips 9 mit der Flüssigkeit 2 zu vermeiden, ist die Oberfläche 11 zumindest in Teilbereichen, die zu den Öffnungen 6, 7 benachbart sind, für die Beschleunigung 2 entnetzend. Das kann dadurch erreicht werden, dass auf dem Halbleiterchip 9 eine Schicht aufgebracht ist, die aus einem entnetzenden Material besteht. Es ist aber auch möglich, dass die Oberfläche 11 eine für die Beschleunigung 2 entnetzende Strukturierung aufweist. Die entnetzende Oberfläche 11 dient also als Begrenzungsfläche, die mit dazu beiträgt, dass die Beschleunigung 2 nicht seitlich wegfließen kann.
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Das Messsignal des Magnetfeldsensors 10 wird mit Hilfe einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung ausgewertet und in ein Ausgangssignal umgeformt, das zu der Längsrichtung des Kanals 4 weisenden Komponente der Beschleunigung proportional ist. Das Ausgangssignal kann ein Analogsignal oder ein Digitalsignal sein. Die Umformung des Messsignals in das Ausgangssignal kann mit Hilfe von Kenngrößen vorgenommen werden, die z. B. in Form einer Kennlinie oder in Form von Stützstellen in der Magnetfeld-Detektoreinrichtung gespeichert sein können. Die Auswerteeinrichtung ist bevorzugt als in den Halbleiterchip 9 integrierte elektrische Schaltung ausgebildet.
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Bei dem in 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf dem Halbleiterchip 9 ein Aufnahmeraum für die Flüssigkeit 2 vorgesehen. Dieser ist nach unten durch einen Boden begrenzt, die durch einen Teilbereich der Oberfläche 11 des Halbleiterchips 9 gebildet ist. Der Boden ist für die Flüssigkeit 2 benetzend. Der Boden ist zu diesem Zweck entsprechend strukturiert und/oder der Halbleiterchip weist im Bereich des Bodens eine benetzende Beschichtung auf.
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Seitlich ist der Aufnahmeraum durch mehrere voneinander beabstandete, quer zur Ebene des Bodens vorstehende Seitenbegrenzungsvorsprünge begrenzt, die an der Flüssigkeit 2 anliegen. Die Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 sind in einer Reihe nebeneinander angeordnet, die den Aufnahmeraum für die Flüssigkeit 2 kreisringförmig umgrenzt. Zwischen den Seitenbegrenzungsvorsprüngen 12 sind Öffnungen 13 gebildet, in welche die Flüssigkeit 2 durch eine externe Kraft ausgelenkt werden kann.
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Die Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 haben in einer parallel zu Oberfläche 11 des Halbleiterchips 9 angeordneten Ebene einen etwa dreieckigen Querschnitt. Deutlich ist erkennbar, dass sich der Querschnitt der Seitenbegrenzungsvorsprünge 12, jeweils ausgehend von dem von der in Ruhelage (4) befindlichen Flüssigkeit 2 entfernten Ende zu dem der Flüssigkeit 2 zugewandten Ende der Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 verjüngt. Bei in Ruhelage befindlicher Flüssigkeit 2 kommt daher nur ein sehr kleiner Teil der Oberfläche der Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 mit der Flüssigkeit 2 in Berührung. Die Oberfläche der Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 ist für die Flüssigkeit entnetzend.
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Die lichte Weite zwischen den Seitenbegrenzungsvorsprünge 12, die Benetzungseigenschaften der Bodenfläche, die Entnetzungseigenschaften der Oberfläche der Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 und die Oberflächespannung der Flüssigkeit 2 sind derart aufeinander abgestimmt, dass ein Teil der Flüssigkeit 2 durch Aufbringen einer parallel zur Ebene des Bodens wirkenden Beschleunigung entgegen der Oberflächenspannung der Flüssigkeit 2 aus der in 4 gezeigten Ruhelage durch die zwischen den Seitenbegrenzungsvorsprüngen 12 ausgebildete Öffnungen 13 hindurch bis hinter die Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 verlagerbar ist (5).
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Die lichte Weite der Öffnungen 13 nimmt in parallel zur Oberfläche des Halbleiterchips 9 verlaufenden Ebenen, jeweils ausgehend von dem der in Ruhelage befindlichen Flüssigkeit 2 zugewandten Enden der Zwischenräume 13 zu dem gegenüberliegenden anderen Ende der Öffnungen 13 hin ab. An den Stellen der Oberfläche 11 des Halbleiterchips 9, an denen die Flüssigkeit 2 in Ruhelage nicht angeordnet ist und die beim Auftreten einer Beschleunigung von der Flüssigkeit 2 überdeckt werden, ist die Oberfläche des Halbleiterchips 9 entnetzend.
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Jede Öffnung 13 ist jeweils ein Magnetfeldsensor 10 zugeordnet, der außerhalb der Öffnung 13 benachbart zu dem Ende der Öffnung 13 angeordnet ist, das von der in Ruhelage befindlichen Flüssigkeit 2 beabstandet ist. In 5 ist erkennbar, dass der beim Auftreten der Beschleunigung durch die Öffnung 13 hindurch ausgelenkte Teil der Flüssigkeit 2 den Magnetfeldsensor 10 bereichsweise überdeckt.
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Bei dem in 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Magnetfeldsensoren 10 in gleichmäßigen Abständen zueinander in einer Reihe angeordnet, die konzentrisch zu der Reihe der die Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 und zu der in Ruhelage befindlichen Flüssigkeit 2 angeordnet ist. Die einzelnen Magnetfeldsensoren 10 sind jeweils mit der Auswerteeinrichtung verbunden und die Auswerteeinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie die die in der Oberfläche 11 des Halbleiterchips 9 liegende Komponente der Beschleunigung nach Betrag und Richtung ermittelt.
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Bei dem in 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiel entsprechend der Boden der Aufnahme und die Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 denen in 4 und 5. anstelle der bei 4 und 5 vorgesehenen Reihe mit mehreren Magnetfeldsensoren 10, hat der in 6 und 7 abgebildete Beschleunigungssensor 1 jedoch nur einen einzigen Magnetfeldsensor 10, der in den Boden integriert und mittig zu den ringförmigen Reihen der Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 angeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 10 ist also unter der Flüssigkeit 2 angeordnet. Deutlich ist erkennbar, dass in der Aufsicht auf die Oberfläche 11 des Halbleiterchips die Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 den Magnetfeldsensor 10 umgrenzen.
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In 7 ist erkennbar, dass ein Teil der Flüssigkeit 2 beim Auftreten einer Beschleunigung in eine der Öffnungen 13 zwischen den Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 verlagert wird. Nach Entfernen der Beschleunigung wird die Flüssigkeit 2 aufgrund der Oberflächenspannung wieder in ihre Ruhelage zurückverlagert. Mit dem in 6 und 7 gezeigten Beschleunigungssensor 1 kann nur die Stärke der Beschleunigung betragsmäßig gemessen werden.
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Bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Flüssigkeit 2 auf einem Boden angeordnet, der durch einen Teilbereich der Oberfläche 11 eines Halbleiterchips 9 gebildet ist. Die Aufnahme für die Flüssigkeit 2 ist dabei seitlich offen bzw. Von einer in Umfangsrichtung unterbrechungsfrei durchgehenden Öffnung umgrenzt. Der unterhalb der in Ruhelage angeordneten Flüssigkeit befindliche Boden ist für die Flüssigkeit 2 benetzend. Um diesen Boden herum ist eine für die Flüssigkeit 2 entnetzende Oberfläche 11 angeordnet, die ein seitliches Verlaufen der Flüssigkeit 2 verhindert.
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Im Abstand von 90° sind um den Boden bzw. um die in Ruhelage befindliche Flüssigkeit 2 herum vier erste Magnetfeldsensoren 10a angeordnet, die als horizontale Hallsensoren ausgestaltet sind, deren Hallplatte zur Erstreckungsebene des Halbleiterchips 9 angeordnet sind. Zusätzlich sind in den Halbleiterchip 9 zwei zweite Magnetfeldsensoren 10b integriert, die als vertikale Hallsensoren ausgestaltet sind und mit ihren Hallplatten rechtwinklig zur Erstreckungsebene des Halbleiterchips 9 ausgerichtet sind. Wie in 8 erkennbar ist, sind die Hallplatten der zweiten Magnetfeldsensoren 10b in der Aufsicht auf den Halbleiterchip 0 jeweils mittig zu der Hallplatte eines Magnetfeldsensors 10a angeordnet. Dabei verlaufen die Ebenen der Hallplatten der zweiten Magnetfeldsensoren 10a radial zu Zentrum der in Ruhelage befindlichen Flüssigkeit 2.
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Die Hallplatten können sich durchdringen oder in einer normal zur Erstreckungsebene des Halbleiterchips 9 verlaufenden Richtung übereinander angeordnet sein.
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Die beiden Hallplatten der zweiten Magnetfeldsensoren 10b sind bezüglich des Zentrums der in Ruhelage befindlichen Flüssigkeit 2 um 90° zueinander versetzt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 hat der Beschleunigungssensor 1 fünf erste Magnetfeldsensoren 10a, von denen vier im Abstand von 90° um die in Ruhelage befindliche Flüssigkeit 2 herum angeordnet sind und ein weiterer erster Magnetfeldsensor 10b mittig unter der Flüssigkeit 2 positioniert ist. Die ersten Magnetfeldsensoren 10a sind jeweils als horizontale Hallsensoren ausgebildet, die in den Halbleiterchip 9 integriert sind.
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Zusätzlich zu den ersten Magnetfeldsensoren 10a weist der Beschleunigungssensor 1 zehn zweite Magnetfeldsensoren 10b auf, die als vertikale Hallsensoren ausgestaltet sind. In der Aufsicht auf die Erstreckungsebene des Halbleiterchips 9 kreuzen sich die Hallplatten von jeweils zwei zweiten Magnetfeldsensoren 10b Die Kreuzungsstelle ist in der Aufsicht auf die Erstreckungsebene des Halbleiterchips 9 jeweils mittig zu einer Hallplatte eines ersten Magnetfeldsensors 10b angeordnet. Somit kann an allen fünf, jeweils durch eine horizontale und zwei vertikale Hallplatten gebildeten Messstellen das Magnetfeld in drei orthogonal zueinander angeordneten Richtungen gemessen werden. Vier der aus jeweils einem ersten Magnetfeldsensor 10a und zwei zweiten Magnetfeldsensoren 10b gebildeten Anordnungen sind im Abstand von 90° zueinander versetzt um das Zentrum der Auflagefläche für die Flüssigkeit 2 herum angeordnet und eine weitere Anordnung befindet sich mittig unter der Auflagefläche.
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Bei dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine schematische Querschnittsansicht entlang einer Linie CS des Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor der 4 dargestellt. Auf der Oberfläche des Halbleiterchips 9 sind die in der Draufsicht der 4 dargestellten dreiecksförmigen Ausformungen, welche auch als Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 bezeichnet sind, im Schnitt dargestellt. Gemäß der Abbildung der 4 bilden immer zwei benachbarte Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 einen Kanal 4 aus. In der Ausführungsform der 4a tritt an beiden sich diametral gegenüberliegenden Öffnungen 6a, 6b von den Kanälen ein Flüssigkeitsmeniskus 2a bzw. 2b aus. Der Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeit 2 in dem Zentralbereich ist hierdurch erniedrigt. Demgemäß erfährt der Sensor eine Beschleunigung in Richtung der Richtung v. Die nicht in der Zeichnungsebene und gestrichelt dargestellten Magnetfeldsensoren 10 detektieren die Änderung der Feldlinien. Das bei den Magnetfeldsensoren 10 auftretende Signal dient als Maß für die Größe der vorliegenden Beschleunigungskraft, d. h. je größer die einwirkende Beschleunigungskraft, desto größer ist die Überlappung der Menisken auf die untenliegenden Magnetfeldsensoren 10.
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Bei dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Draufsicht auf einen Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor 1 dargestellt, welcher eine Aufnahme aufweist, die nur zentral unterhalb der Flüssigkeit 2 ausgebildet ist. Im Unterschied zu den anderen Ausführungsbeispielen weist der Beschleunigungs- und/oder Neigungssensor 1 keinerlei Seitenbegrenzungsvorsprünge 12 auf, welche insbesondere Kanäle ausbilden. Die Flüssigkeit wird insbesondere durch die Benetzung mit der Aufnahme und die Oberflächenspannung in der Aufnahme welche auch die Ruhelage ausbildet, gehalten. Bei einer Beschleunigung tritt ein Teil der Flüssigkeit 2 in insbesondere in entnetzend ausgeführte Bereiche außerhalb der Aufnahme vor. Sofern die äußere Krafteinwirkung zu gering wird zieht sich die Flüssigkeit aufgrund der Oberflächenspannung in den Bereich der Aufnahme zurück.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006007900 B4 [0002]
- US 6583725 B2 [0003]
