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Die Erfindung betrifft einen Inertialsensor, insbesondere mit paralleler Feder.
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Stand der Technik
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Inertialsensoren als solche sind bekannt. Sie umfassen in der Regel eine perforierte bewegliche Wippe, die mittels zweier Torsionsfedern mit einem Substrat verbunden ist. Hierbei sind die beiden Torsionsfedern bezogen auf Ihre Längsachsen kollinear angeordnet. D.h. insbesondere, dass beide Längsachsen entlang einer gemeinsamen Linie verlaufen.
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Bei einer vertikalen Auslenkung des Inertialsensors bezogen auf die Substratebene entstehen in den Federn erhebliche mechanische Spannungen. Hierbei weisen Federn mit einer kürzeren Federlänge größere mechanische Spannungen auf als Federn mit einer längeren Federlänge.
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Es ist also wünschenswert, um die mechanische Spannung bei gleicher Federbreite zu reduzieren, die Federlängen zu maximieren. Aufgrund der kollinearen Anordnung der Torsionsfedern ist dies aber nur begrenzt möglich, da an dem einen Längsende der Feder die Wippe als begrenzendes Element wirkt, wobei an dem anderen Längsende der Feder die zweite Feder bzw. eine Substratanbindung als begrenzendes Element wirkt.
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Die nachveröffentlichte Offenlegungsschrift
EP 2 479 580 A1 offenbart einen MEMS-Sensor.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann daher darin gesehen werden, einen Inertialsensor bereitzustellen, in welchem mechanische Spannungen in Federn bei vertikaler Überlast minimiert sind.
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Diese Aufgabe wird mittels des Gegenstands des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
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Nach einem Aspekt wird ein Inertialsensor bereitgestellt, der ein Substrat und eine Wippe aufweist. Hierbei ist die Wippe mittels einer Federvorrichtung mit dem Substrat verbunden. Die Federvorrichtung umfasst zumindest zwei Federn, welche die Wippe an das Substrat aufhängen. Die Wippe ist insofern an dem Substrat aufgehängt. Hierbei sind die zwei Federn bezogen auf ihre Längsachse versetzt zueinander angeordnet.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet die Längsachse die Achse der Feder, die der Richtung ihrer größten Ausdehnung entspricht. Ein Längsende im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet ein Ende der Feder in Bezug zu der Längsachse. Vertikal wird in Bezug zu der Substratebene definiert. Zur besseren Klarheit wird ein x, y, z-Koordinatensystem wie folgt definiert. Die x- und die y-Achse liegen in der Substratebene. Die z-Achse verläuft senkrecht zu der Substratebene. Kollinear bedeutet insbesondere auf einer gemeinsamen Linie verlaufend.
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Dadurch, dass beide Federn bezogen auf ihre Längsachse versetzt zueinander angeordnet sind, wirken sie nicht mehr als sich gegenseitige begrenzende Elemente und können somit zumindest in eine Richtung verlängert werden, ohne dass sie aneinander anstoßen bzw. sich berühren. Somit kann im Vergleich zum Stand der Technik eine Federlänge vergrößert werden, was in vorteilhafter Weise zu einer geringeren mechanischen Spannung in der Feder führt, wenn diese vertikal ausgelenkt wird. Der erfindungsgemäße Inertialsensor hält also in vorteilhafter Weise größeren mechanischen Beschleunigungskräften in vertikaler Richtung stand.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Inertialsensor als ein mikromechanischer Inertialsensor gebildet. Ein mikromechanischer Inertialsensor ist insbesondere mittels entsprechender mikromechanischer Herstellungsverfahren wie beispielsweise Ätz- und/oder Lithografieverfahren und/oder galvanische Verfahren und/oder Photolithografieverfahren gebildet. Vorzugsweise ist das Substrat ein Siliziumwafer.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Inertialsensor als ein Beschleunigungssensor gebildet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Wippe als eine perforierte Wippe gebildet. Perforiert im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet insbesondere, dass die Wippe zumindest ein Loch aufweist, durch das ein Fluid fließen bzw. strömen kann. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um ein Ätzfluid, insbesondere ein Ätzgas oder eine Ätzflüssigkeit, handeln. Aufgrund der Perforation kann das Fluid in vorteilhafter Weise auf Elemente, welche sich unter der Wippe, also zwischen Substrat und Wippe, befinden, wirken. Insbesondere kann das Fluid auf das Substrat selber wirken. Die Perforation kann mehrere Löcher aufweisen, welche bevorzugterweise in einem Raster angeordnet sind.
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Nach einer weiteren Ausführungsform können auch mehr als zwei Federn vorgesehen sein. Beispielsweise können vier Federn vorgesehen sein. Somit wird eine besonders stabile und trotzdem federnde Aufhängung bewirkt. Die Federn sind allgemein vorzugsweise als Torsionsfedern gebildet. Insbesondere sind die Federn als Blattfedern gebildet. Die Federn können beispielsweise gleich oder unterschiedlich gebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Federvorrichtung zumindest einen mit dem Substrat verbundenen Aufhängungsblock auf, an dem zumindest eine Feder befestigt ist. Die Feder kann vorzugsweise auch mit dem Aufhängungsblock verbunden sein. Insbesondere ist ein Längsende der Feder an dem Aufhängungsblock befestigt bzw. verbunden. Das andere Längsende der Feder ist dann vorzugsweise an der Wippe befestigt bzw. verbunden. Insbesondere können an dem Aufhängungsblock auch zwei oder mehr als zwei Federn befestigt bzw. verbunden sein. Beispielsweise können auch mehrere Aufhängungsblöcke, insbesondere drei oder vier Aufhängungsblöcke gebildet sein. Der Aufhängungsblock ist vorzugsweise einstückig mit dem Substrat gebildet. Die Aufhängungsblöcke können beispielsweise relativ zu den Längsachsen der Federn versetzt zueinander angeordnet sein. Somit wird eine Länge der Federn in vorteilhafter Weise nur von einer Distanz Aufhängungsblock-Wippe, also insbesondere von der Länge der Strecke Aufhängungsblock-Wippe, begrenzt und nicht noch zusätzlich durch einen anderen Aufhängungsblock. Bei einer geraden Anzahl an Aufhängungsblöcken können diese vorzugsweise paarweise nebeneinander angeordnet sein. Bei vier Aufhängungsblöcken können die beiden Paare vorzugsweise punktsymmetrisch angeordnet sein. Bei einer ungeraden Anzahl an Aufhängungsblöcken können diese beispielsweise achsensymmetrisch angeordnet sein, wobei die Symmetrieachse parallel zu einer Längsachse einer Feder verläuft.
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Der Bereich an dem Aufhängungsblock, an dem die Feder befestigt bzw. mit diesem verbunden ist, kann auch als eine Federanbindung bezeichnet werden. Der Bereich an dem Aufhängungsblock, der mit dem Substrat verbunden ist, kann auch als eine Substratanbindung bezeichnet werden. Ein Substrat kann insbesondere auch als ein Festland bezeichnet werden, so dass die Substratanbindung auch als eine Festlandanbindung bezeichnet werden kann.
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Erfindungsgemäß sind die Federn in Richtung ihrer Längsachse teilweise überlappend nebeneinander angeordnet. Erfindungsgemäß sind die Federn parallel nebeneinander angeordnet. Ein entsprechender Inertialsensor kann auch als ein Inertialsensor mit parallelen Federn bezeichnet werden. Bei einer geraden Anzahl an Federn können diese auch paarweise nebeneinander parallel verlaufend angeordnet werden. Solche Federpaare können auch als verschränkte Doppelfedern bezeichnet werden. Somit kann in vorteilhafter Weise eine erheblich hohe Torsionssteifigkeit bewirkt werden, da die Federn ebenfalls auf Biegung in z-Richtung belastet werden anstatt nur auf Torsion. Insbesondere mittels einer entsprechenden Anpassung des Abstandes von zwei Doppelfedern voneinander und/oder von einer Drehachse der Wippe kann eine veränderte Torsionssteifigkeit in vorteilhafter Weise ohne Änderung anderer Geometrieparameter bewirkt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Wippe bezogen auf eine mittels der Längsachse der Federn definierte in der Wippenebene gebildete Rotationsachse der Wippe asymmetrisch an dem Substrat aufgehängt. Diese asymmetrische Aufhängung bewirkt in vorteilhafter Weise ein Verkippen der Wippe bei einer Auslenkung vertikal zu der Substratebene. Eine Massenverteilung der Wippe ist insofern insbesondere asymmetrisch relativ zu der Rotationsachse.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist auf dem Substrat der Wippe gegenüberliegend zumindest eine Elektrode angeordnet, welche mit der Wippe einen Kondensator zum kapazitiven Erfassen einer Auslenkung der Wippe bildet.
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In einer weiteren Ausführungsform sind auf dem Substrat zumindest zwei Elektroden angeordnet, wobei die Elektroden der Wippe gegenüberliegend angeordnet sind. Jede der Elektroden bildet mit der Wippe einen Kondensator, so dass die beiden Elektroden gemeinsam mit der Wippe einen Differentialkondensator bilden. Ein solcher weist in vorteilhafter Weise besonders lineare Eigenschaften auf. Die Wippe kann insbesondere auf ein elektrisches Potential CM gelegt werden und insbesondere können die beiden Elektroden auf ein elektrisches Potential C1 respektive elektrisches Potential C2 gelegt werden. Bei einer Auslenkung der Wippe ändern sich die entsprechenden Kapazitäten in den Kondensatoren, so dass mittels einer entsprechenden Auswertung der Kapazitäten die Auslenkung der Wippe detektiert werden kann, wodurch in vorteilhafter Weise eine an die Wippe angelegte Beschleunigung ermittelt werden kann. Die Elektroden können auch als Detektionselektroden bezeichnet werden. Vorzugsweise sind Detektionselektroden vorgesehen, welche eine Beschleunigung in x- und/oder y-Richtung in der x,y-Ebene detektieren können. Die Elektroden sind vorzugsweise als streifenförmige Elektroden bzw. Streifenelektroden gebildet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform können auch mehr als zwei Elektroden gebildet sein, insbesondere können drei, vorzugsweise vier, insbesondere fünf, beispielsweise sechs Elektroden gebildet sein. Somit kann eine besonders empfindliche Kapazitätsmessung durchgeführt werden.
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Nach einer anderen Ausführungsform ist ein Anschlag zum Begrenzen einer Wippenauslenkung gebildet. Dieser bewirkt in vorteilhafter Weise, dass eine Wippenauslenkung derart begrenzt wird, dass mechanische Spannungen in der Federvorrichtung unter einem vorbestimmten Wert liegen, der einem Wert entspricht, an dem der Inertialsensor bzw. die Federeinrichtung beschädigt werden kann. Insbesondere begrenzt der Anschlag eine Wippenauslenkung, welche parallel zu dem Substrat verläuft. Beispielsweise können auch mehrere Anschläge gebildet sein.
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Nach einer anderen Ausführungsform weist die Wippe eine Aussparung auf, in welcher die Federvorrichtung angeordnet ist. Hierbei ist insbesondere ein Symmetriezentrum der Aussparung ungleich einem Symmetriezentrum der Wippe, so dass dadurch in vorteilhafter Weise eine asymmetrische Aufhängung ermöglicht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Inertialsensor als ein mehrkanaliger Inertialsensor, insbesondere als ein mehrkanaliger Beschleunigungssensor, gebildet.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine Draufsicht eines bekannten Inertialsensors,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Inertialsensors,
- 3 eine Draufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen Inertialsensor,
- 4 eine seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Inertialsensors,
- 5 eine Draufsicht eines anderen erfindungsgemäßen Inertialsensors,
- 6 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts des Inertialsensors aus 5,
- 7 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts des Inertialsensors aus 6,
- 8 eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Inertialsensors,
- 9 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts aus dem Inertialsensor aus 8,
- 10 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts aus dem Inertialsensor aus 9,
- 11 eine jeweilige Draufsicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Inertialsensors einmal mit und einmal ohne Energie-optimierten Anschlägen,
- 12 eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Inertialsensors,
- 13 eine Draufsicht eines anderen erfindungsgemäßen Inertialsensors,
- 14 eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Inertialsensors,
- 15 eine Draufsicht eines anderen erfindungsgemäßen Inertialsensors und
- 16 der Inertialsensor aus 15 mit Detektionselektroden.
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Im Folgenden werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen Inertialsensor 101 nach dem Stand der Technik. Der Inertialsensor 101 umfasst ein viereckiges Substrat 103, auf dem ein Federaufhängungsblock 105 für zwei Federn 107, 109 gebildet ist. Parallel zum Substrat 103 ist eine perforierte Wippe 111 gebildet, welche eine Ausnehmung 113 aufweist. Der Federaufhängungsblock 105 und die beiden Federn 107 und 109 sind in der Aussparung 113 angeordnet. Hierbei sind die beiden Federn 107, 109 bezogen auf ihre Längsachse kollinear angeordnet. D. h. insbesondere, dass die beiden Längsachsen auf einer gemeinsamen Linie verlaufen. Die Feder 107 ist mit ihrem ersten Längsende 107a an dem Federaufhängungsblock 105 befestigt. Das andere Längsende 107b der Feder 107 ist mit der Wippe 111 verbunden. Analog weist auch die Feder 109 ein erstes Längsende 109a auf, welches an dem Federaufhängungsblock 105 befestigt ist. Das zweite Längsende 109b der Feder 109 ist mit der Wippe 111 verbunden.
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Mit dem Bezugszeichen 115 sind ferner zwei mechanische Anschläge gekennzeichnet, welche eine seitliche Auslenkung, d.h. insbesondere eine Auslenkung in x,y-Ebene der Wippe 111 begrenzen können.
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Da aufgrund der kollinearen Anordnung der beiden Federn 107, 109 sich die beiden Längsenden 107a, 109a bei einer eventuellen Verlängerung der Federn 107, 109 gegenseitig im Wege stehen würden, ist eine jeweilige Länge der beiden Federn 107, 109 begrenzt durch die Länge der Strecke Federaufhängungsblock 105 und dem Befestigungsbereich der zweiten Längsenden 107b und 109b an der Wippe 111. Insofern können bei einer vertikalen Auslenkung, d.h. in z-Richtung, wobei die Substratebene in der x,y-Ebene liegt, erhebliche mechanische Spannungen in den Federn 107, 109 auftreten, was zu einem Federbruch führen kann.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Inertialsensor 201 umfassend ein Substrat 203. Ferner ist eine Federvorrichtung 205 gebildet, welche das Substrat 203 mit einer Wippe 207 verbindet. Die Federvorrichtung 205 weist zwei Federn 209a, 209b auf. Eine jeweilige Längsachse der Federn 209a, 209b ist mit den Bezugszeichen 211 a, 211b gekennzeichnet. Wie deutlich zu erkennen ist, sind die beiden Federn 209a, 209b bezogen auf ihre Längsachsen 211 a, 211b versetzt zueinander angeordnet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise bewirkt, dass sich die beiden Federn 209a, 209b in Längsrichtung nicht mehr gegenseitig im Weg stehen, wodurch in vorteilhafter Weise eine größere Verlängerung in Längsrichtung der Federn 209a, 209b im Vergleich zum Stand der Technik möglich ist. Somit können mechanische Belastungen in den Federn 209a, 209b erheblich verringert werden bei einer vertikalen Auslenkung der Federn 209a, 209b. Vertikal bedeutet hier insbesondere senkrecht zu den Längsachsen 211a, 211b. Bei einer vertikalen Überlast werden also die mechanischen Spannungen in vorteilhafter Weise limitiert, was Federbrüche vermeidet.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform können auch mehr als zwei Federn vorgesehen sein. In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform ist der Inertialsensor als ein mikromechanischer Inertialsensor gebildet. Vorzugsweise ist der Inertialsensor in einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Beschleunigungssensor, insbesondere als ein mikromechanischer Beschleunigungssensor, gebildet. Die Federn sind vorzugsweise als Torsionsfedern oder Blattfedern gebildet.
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3 zeigt eine Draufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen Inertialsensor 301 umfassend ein Substrat 303. Auf dem Substrat 303 sind zwei Aufhängungsblöcke 305, 307 angeordnet. Ferner sind zwei Federn 309 und 311 gebildet. Parallel zum Substrat 303 ist eine perforierte Wippe 312 gebildet, welche eine Ausnehmung 314 aufweist. Die Aufhängungsblöcke 305 und 307 mit den Federn 309 und 311 sind in der Aussparung 314 angeordnet. Ein Symmetriezentrum der Aussparung 314 ist ungleich einem Symmetriezentrum der Wippe 312, so dass die Wippe 312 eine asymmetrische Masseverteilung aufweist.
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Die Feder 309 ist an ihrem einen Längsende 309a mit der perforierten Wippe 312 verbunden. Das andere Längsende 309b ist an dem Aufhängungsblock 305 befestigt. Analog ist ein Längsende 311a der Feder 311 mit der Wippe 312 befestigt. Das andere Längsende 311b der Feder 311 ist an dem Aufhängungsblock 307 befestigt.
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Wie 3 deutlich zeigt, sind die beiden Federn 309, 311 bezogen auf ihre Längsachsen, welche in y-Richtung verlaufen, versetzt zueinander angeordnet und können insofern länger gebildet sein als wenn sie kollinear angeordnet wären.
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Mit dem Bezugszeichen 313 sind ferner zwei Anschläge zum Begrenzen einer Auslenkung der Wippe 312 gekennzeichnet.
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4 zeigt eine seitliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Inertialsensors 401 in y-Richtung. Da die in 4 gezeigte Darstellung eine Seitenansicht ist, sind die Federn nicht gezeigt. Auch ist der Übersicht halber die Perforation der Wippe 312 nicht eingezeichnet. Eine Ausdehnung der Wippe 312 in Richtung der z-Achse ist mit H als Höhe gekennzeichnet. Das Bezugszeichen 401 kennzeichnet eine Festlandanbindung. Das Bezugszeichen 403 kennzeichnet eine Federanbindung.
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Auf dem Substrat 303 sind zwei Elektroden 405, 407 angeordnet, so dass diese der Wippe 312 gegenüberliegen. Die beiden Elektroden 405 und 407 sind nebeneinander auf dem Substrat 303 angeordnet, wobei sich zwischen den beiden Elektroden 405 und 407 die Festlandanbindung 401 befindet. Die beiden Elektroden 407, 409 werden respektive auf ein elektrisches Potential C1 und C2 gelegt. Die Wippe 312 wird auf ein Potential CM gelegt. Die beiden Elektroden 407 und 409 und die Wippe 312 bilden insofern einen Differentialkondensator.
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Bei einer Beschleunigung des Inertialsensors 401 in z-Richtung, also vertikal zu der Substratebene bzw. Wippenebene, wird die Wippe in z-Richtung verkippt. Eine Kapazität des Differentialkondensators wird sich insofern ändern, was erfasst werden kann, so dass in vorteilhafter Weise entsprechend die Beschleunigung ermittelt werden kann.
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5 zeigt eine Draufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen Inertialsensor 501 umfassend ein Substrat 503 und einer perforierten Wippe 505 aufweisend eine Aussparung 507. In der Aussparung 507 sind zwei Aufhängungsblöcke 509 und 511 mit jeweils einer Feder 513 und 515 angeordnet. Die Feder 513 weist ein erstes Längsende 513a und ein zweites Längsende 513b auf. Analog weist die Feder 515 ein erstes Längsende 515a und ein zweites Längsende 515b auf. Die ersten Längsenden 513a und 515a sind an dem Aufhängungsblock 511 respektive an dem Aufhängungsblock 509 befestigt. Die zweiten Längsenden 513b und 515b sind an der perforieren Wippe 505 befestigt. Das Bezugszeichen 517 kennzeichnet eine Festlandanbindung. Mit dem Bezugszeichen 519 sind zwei Anschläge gekennzeichnet. Die Längsachsen der Federn 513 und 515 verlaufen parallel zueinander in y-Richtung, sind aber versetzt in x-Richtung bezogen zueinander angeordnet.
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6 zeigt eine vergrößerte Ansicht des mit dem Buchstaben „A“ gekennzeichneten Bereichs in 5.
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7 zeigt eine vergrößerte Ansicht des mit dem Buchstaben „B“ gekennzeichneten Bereichs in 6.
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8 zeigt eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Inertialsensors 801. Der Übersicht halber ist das Substrat 503 nicht gezeigt. Der mit dem Buchstaben „A'" gekennzeichnete Bereich in 8 ist in 9 vergrößert dargestellt. Der mit dem Buchstaben "B'" gekennzeichnete Bereich in 9 ist in 10 vergrößert dargestellt.
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11 zeigt in der linken Zeichnung eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Inertialsensors 1101 mit zwei Energie-optimierten Anschlägen 1103 und 1105. In der rechten Zeichnung in 11 ist eine Teilansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Inertialsensors 1107 ohne solche Energie-optimierten Anschläge 1103 und 1105 gezeigt. Der Übersicht halber ist in den beiden Zeichnungen kein Substrat eingezeichnet. Die beiden Energie-optimierten Anschläge 1103 und 1105 sind in einem der Wippe 505 in y-Richtung zugewandten Endbereich des Aufhängungsblocks 509 respektive 511 angeordnet und umfassen jeweils mehrere parallel angeordnete Federn 1109 mit einer hohen Federkonstante, so dass die Federn 1109 eine hohe Steifigkeit aufweisen. Die Federn 1109 können insbesondere eine gleiche oder eine unterschiedliche Federkonstante aufweisen.
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An einem der Wippe 505 in y-Richtung zugewandten Endbereich der Anschläge 1103 und 1105 sind jeweils Kontaktvorsprünge 1111 in einer Kammform gebildet. In Lücken zwischen den Kontaktvorsprüngen 1111 sind weitere Kontaktvorsprünge 1113 angeordnet, welche mit der Wippe 505 verbunden sind. Bei einer ausreichend großen Auslenkung der Wippe 505 in der x,y-Ebene kontaktieren bzw. berühren sich die Kontaktvorsprünge 1111 und 1113. Sie bilden insofern einen Kontaktbereich. Eine weitere Auslenkung der Wippe 505 wird so verhindert. Die Bewegung der Wippe 505 wird hierbei mittels der Federn 1109 abgefedert, so dass eine mechanische Beanspruchung der Aufhängungsblöcke 509 und 511 in vorteilhafter Weise verringert wird.
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12 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inertialsensors 1201. Der Inertialsensor 1201 umfasst eine perforierte Wippe 1203 mit einer viereckigen Aussparung 1205, wobei ein Symmetriezentrum der Aussparung 1205 ungleich einem Symmetriezentrum der Wippe 1203 ist. Die Wippe 1203 weist somit insofern eine asymmetrische Massenverteilung auf. In der Aussparung 1205 sind vier Aufhängungsblöcke 1207a, 1207b, 1207c und 1207d gebildet, welche mit einem unter der Wippe 1203 angeordneten Substrat (nicht gezeigt) verbunden sind. Hierbei sind die Aufhängungsblöcke 1207a und 1207b sowie 1207c und 1207d paarweise zueinander angeordnet, wobei die beiden Paare in der Aussparung 1205 relativ zu dem Symmetriezentrum der Aussparung 1205 punktsymmetrisch angeordnet sind.
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Ferner ist jeweils eine Feder 1209, 1211, 1213 und 1215 mit einem ersten Längsende 1209a, 1211a, 1213a und 1215a an den Aufhängungsblöcken 1207a, 1207b, 1207c und 1207d befestigt. Das zweite Längsende 1209b, 1211b, 1213b und 1215b ist an der Wippe befestigt, wobei die Federn 1209, 1211, 1213 und 1215 in y-Richtung verlaufend parallel zu zwei Seiten der viereckigen Aussparung 1205 gebildet sind.
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Die Federn 1209 und 1211 sowie die Federn 1213 und 1215 bilden insofern insbesondere zwei verschränkte Doppelfedern.
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13 zeigt eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inertialsensors 1301. Im Unterschied zu dem Inertialsensor 1201 aus 12 sind in der Aussparung 1205 nur drei Aufhängungsblöcke 1207a,b und c angeordnet. Zwei Aufhängungsblöcke 1207a und 1207b sind am oberen Ende in den beiden Ecken der viereckigen Aussparung 1205 angeordnet. Der dritte Aufhängungsblock 1207c ist am unteren Ende der Aussparung 1205 mittig angeordnet. Dennoch sind ebenfalls vier Federn 1209, 1211, 1213 und 1215 gebildet, welche analog zu 12 mit ihren beiden Längsenden an den Aufhängungsblöcken bzw. an der Wippe 1203 befestigt sind. Hierbei sind an beiden Seiten des Aufhängungsblocks 1207c jeweils eine Feder 1211 und 1213 mit ihrem jeweiligen Längsende 1211a und 1213a befestigt.
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Auch hier bilden die beiden Federn 1209 und 1211 sowie die Federn 1213 und 1215 zwei verschränkte Doppelfedern, welche aber bezogen auf die Symmetrieachse der Aussparung 1205 in y-Richtung achsensymmetrisch zueinander angeordnet sind.
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Dadurch, dass die beiden verschränkten Doppelfedern parallel zueinander verlaufen, sie sind also nebeneinander angeordnet, kann in vorteilhafter Weise eine deutlich erhöhte Torsionssteifigkeit erreicht werden, da die Federn ebenfalls auf Biegung in z-Richtung belastet werden, anstatt nur auf Torsion. Hierbei sind wie in 12 gezeigt eine punktsymmetrische und wie in 13 gezeigt eine achsensymmetrische Anordnung der beiden Doppelfedern möglich.
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Durch Anpassung des Abstandes der beiden Doppelfedern voneinander und/oder von der Drehachse der Wippe 1203 kann in vorteilhafter Weise eine Torsionssteifigkeit ohne Änderungen andere Geometrieparameter bewirkt werden. Bei einem vergrößertem Abstand (vgl. 14), wobei der Abstand mittels zweier Pfeile mit dem Bezugszeichen 1401 gekennzeichnet ist, erhöht sich die notwendige Biegung der Federn 1209, 1211, 1213 und 1215 in z-Richtung bei gleichem Torsionswinkel der Wippe 1205, so dass sich die resultierende Torsionssteifigkeit der Federvorrichtung ebenfalls erhöht. Entsprechend erniedrigt sich die Gesamttorsionssteifigkeit bei verkleinertem Abstand der beiden Doppelfedern voneinander (vgl. 15). Die Steifigkeit in x-Richtung ist unabhängig von einer Änderung des Abstandes.
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Solche in den 12 bis 15 gezeigten Inertialsensoren sind in vorteilhafter Weise besonders geeignet für einen Sensor, insbesondere einen Beschleunigungssensor, der neben einer Beschleunigung in z-Richtung auch eine laterale Beschleunigung in der x,y-Ebene detektieren soll (vgl. 16). Durch Variation der Abstände der Doppelfedern und der Geometrie der Federn selber, insbesondere Federlänge und/oder Federbreite und/oder Federhöhe, lassen sich in vorteilhafter Weise unabhängig voneinander die Steifigkeiten in der x,y-Ebene in x-Richtung und/oder y-Richtung und die Torsionssteifigkeit anpassen.
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16 zeigt den Inertialsensor aus 15, welcher hier als ein Beschleunigungssensor 1600 gebildet ist. Mit dem Bezugszeichen 1601 sind Elektroden gekennzeichnet, welche eine Beschleunigung in x-Richtung in der x,y-Ebene detektieren. Die Elektroden 1601 können insofern insbesondere auch als X-Kanal-Detektionselektroden bezeichnet werden. Die Elektroden 1601 sind parallel zueinander in der Aussparung 1205 in y-Richtung angeordnet wobei ein Paar von Elektroden 1601 hierbei insbesondere einen Kondensator bilden. Allgemein können die X-Kanal-Detektionselektroden auch als Lateralelektroden bezeichnet werden.
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Mit dem Bezugszeichen 1603 sind zwei streifenförmige Detektionselektroden zur Detektion einer Beschleunigung in z-Richtung bezeichnet. Die Detektionselektroden 1603 können insofern auch insbesondere als Z-Kanal-Detektionselektroden bezeichnet werden. Die beiden Detektionselektroden 1603 sind analog zu 4 auf dem Substrat angeordnet und liegen der Wippe 1203 gegenüber, so dass ein Differentialkondensator gebildet ist. Bei einem Verkippen der Wippe in z-Richtung wird sich die Kapazität des Differentialkondensators ändern, so dass darüber eine Bestimmung der z-Beschleunigung durchgeführt werden kann.
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Der in 16 gezeigte Inertialsensor ist insofern als ein 2-Kanal-Beschleunigungssensor ausgebildet, da er eine Beschleunigung sowohl in x-Richtung als auch in z-Richtung erfassen kann. In einer nicht gezeigten Ausführungsform können weitere Lateralelektroden gebildet sein, so dass auch noch zusätzlich eine Beschleunigung in y-Richtung erfasst werden kann. In diesem Fall ist dann der Inertialsensor als ein 3-Kanal-Beschleunigungssensor gebildet.
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Zusammenfassend stellt die Erfindung insbesondere eine Möglichkeit bereit, mechanische Spannungen in Torsionsfedern von Beschleunigungssensoren, insbesondere mikromechanischen Beschleunigungssensoren, bei Überlast zu reduzieren, so dass in vorteilhafter Weise Federbrüche vermieden werden.
