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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 197 19 779 A1 ein Beschleunigungssensor mit einer beweglich an einem Substrat aufgehängten seismischen Masse bekannt. Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungssensors wirken auf die seismische Masse Trägheitskräfte, welche die seismische Masse relativ zum Substrat auslenken. Der Grad dieser Auslenkung wird mittels Detektionsmitteln vermessen. Die Detektionsmittel umfassen eine Kammelektrodenstruktur aus substratfesten Festelektroden und an der seismischen Masse befestigten Gegenelektroden. Zur Vermessung der Auslenkung wird die Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den Festelektroden und den Gegenelektroden ausgewertet. Der bekannte Beschleunigungssensor ist dabei lediglich zur Erfassung von translatorischen Linearbeschleunigungen und nicht zur Erfassung von Rotationsbeschleunigungen vorgesehen.
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Die Druckschrift
DE 40 22 464 A1 offenbart einen Beschleunigungssensor zur Messung von Winkelbeschleunigungen, welcher einen feststehenden Rahmen und eine an dem Rahmen befestigte auslenkbare seismische Masse aufweist. Die seismische Masse ist über wenigstens zwei symmetrisch angeordnete, in der Trägerebene verbiegbare Stege mit dem Rahmen verbunden. Eine Auslenkung der seismischen Masse aufgrund von auf die seismische Masse wirkenden Trägheitskräften wird an zwei gegenüberliegenden Seiten der seismischen Masse mittels entsprechender Detektionsmittel piezoresistiv oder kapazitiv erfasst. Die Signalstärke hängt hierbei vom Radius der Struktur ab, d.h. vom Abstand zwischen den Detektionsmitteln zur Rotationsachse, wodurch dieser Beschleunigungssensor einen vergleichsweise großen Flächenbedarf aufweist.
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Ferner ist aus der Druckschrift
DE 101 08 196 A1 ein Drehratensensoren mit Coriolis-Elementen zur Messung einer Drehgeschwindigkeit bekannt, wobei ein erstes und ein zweites Coriolis-Element über eine Feder miteinander verbunden sind und zu Schwingungen parallel zu einer ersten Achse angeregt werden, wobei ein erstes und ein zweites Detektionsmittel eine Auslenkung des ersten und zweiten Coriolis-Elements aufgrund einer auf die Coriolis-Elemente wirkenden Corioliskraft detektieren, so dass die Differenz aus einem ersten Detektionssignal des ersten Detektionsmittels und einem zweiten Detektionssignal des zweiten Detektionsmittels abhängig von der Corioliskraft und somit auch abhängig von der Drehgeschwindigkeit des Drehratensensors ist. Nachteilig an diesem Drehratensensor ist, dass die Auslenkung der seismischen Masse beim Vorliegen von Rotationsbeschleunigungen durch Corioliskräfte und nicht durch Trägheitskräfte hervorgerufen wird. Hierfür müssen die Coriolis-Elemente permanent zu Schwingungen angeregt werden, wodurch der Energieverbrauch vergleichsweise hoch ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass zur Erfassung der Drehbeschleunigung auf diese Weise das erfasste Drehgeschwindigkeitssignal numerisch differenziert werden muss, wodurch zusätzliches Signalrauschen auftritt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine vergleichsweise präzise Vermessung einer Rotationsbeschleunigung bei reduziertem Flächenbedarf und vergleichsweise geringem Energieverbrauch ermöglicht wird. Der Flächenbedarf ist im Vergleich zum Stand der Technik reduziert, da die Rotationsbeschleunigung des Beschleunigungssensors unmittelbar in translatorische und/oder rotatorische Auslenkungsbewegungen der ersten bzw. zweiten seismischen Masse übersetzt wird, welche vergleichsweise präzise und mit geringem Flächenbedarf mittels des ersten bzw. zweiten Detektionsmittels vermessbar sind. Insbesondere wird hierfür eine kompakte kapazitiv arbeitende Detektionsstruktur verwendet, wie sie aus Linearbeschleunigungssensoren bekannt ist. Im Vergleich zum Stand der Technik muss zur Vermessung der Rotationsbeschleunigung daher insbesondere keine vom Strukturradius abhängige Verbiegung oder Auslenkung von sich radial um die Rotationsachse erstreckenden Strukturen vermessen werden. Ferner ist der Energieverbrauch vergleichsweise gering, da die detektierbare erste und zweite Auslenkung durch Trägheitskräfte hervorgerufen werden, welche bei einer Rotationsbeschleunigung des Beschleunigungssensors auf die erste und zweite seismische Masse wirken. Die erste und zweite seismische Masse müssen daher nicht zu Schwingungen angeregt werden, damit Corioliskräfte auftreten. Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor werden bei der Rotationsbeschleunigung des Beschleunigungssensors die erste und zweite seismische Masse durch entsprechende Trägheitskräfte ausgelenkt. Aufgrund der Kopplung der ersten und zweiten seismischen Masse über das wenigstens eine starre Kopplungselement werden dabei die Anzahl der verfügbaren Freiheitsgrade eingeschränkt, so dass im Wesentlichen nur eine gegenphasige Auslenkung der ersten und zweiten seismischen Massen erlaubt wird. Das wenigstens eine starre Kopplungselement wird dabei entweder rotatorisch oder translatorisch ausgelenkt, wodurch die Rotationsbeschleunigung in im Wesentlichen translatorische und/oder rotatorische gegenphasige erste und zweite Auslenkungsbewegungen der ersten und zweiten seismischen Masse übersetzt wird. In vorteilhafter Weise werden somit unerwünschte Auslenkungen der seismischen Massen aufgrund von Linearbeschleunigungen des Beschleunigungssensors unterdrückt. Durch eine Differenzwertbildung der vom ersten und zweiten Detektionsmittel detektierten Signale mittels eines Differenzwertbildners ist insbesondere unter Berücksichtigung des jeweiligen Abstands der seismischen Massen vom Schwerpunkt des Beschleunigungssensors die Rotationsbeschleunigung bestimmbar. Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor umfasst insbesondere ein MEMS-Bauelement (Micro Electro Mechanical System), welches in einem Halbleiterherstellungsprozess gefertigt ist. Das Substrat umfasst vorzugsweise ein Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, welches zur Ausbildung der ersten und zweiten seismischen Masse, sowie der ersten und zweiten Detektionsmittel entsprechend strukturiert wird. Die Strukturierung erfolgt dabei vorzugsweise im Rahmen eines Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und/oder Bondverfahrens.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Beschleunigungssensor derart ausgebildet ist, dass eine Rotationsbeschleunigung des Beschleunigungssensors um die Rotationsachse eine rotatorische Schwenkbewegung des Kopplungselements um die Rotationsachse, eine translatorische erste Auslenkungsbewegung der ersten seismischen Masse im Wesentlichen parallel zur Auslenkungsrichtung und eine translatorische zweite Auslenkungsbewegung der zweiten seismischen Masse im Wesentlichen antiparallel zur Auslenkungsrichtung bewirkt. In vorteilhafter Weise wird somit eine Übersetzung der Rotationsbeschleunigung in translatorische Auslenkungsbewegungen erzielt, welche einander entgegengesetzt sind. Auf diese Weise wird eine vergleichsweise präzise und volldifferentielle Sensierung der Rotationsbeschleunigung ermöglicht. Zudem ist eine Vermessung einer translatorischen Auslenkungsbewegung mit vergleichsweise geringem Bauraumbedarf realisierbar. Die Schwenkbewegung des Kopplungselements dient zur Synchronisation der beiden Auslenkungsbewegungen und zur Unterdrückung von unerwünschten Auslenkungen durch lineare Beschleunigungen des Beschleunigungssensors.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Beschleunigungssensor derart ausgebildet ist, dass eine Rotationsbeschleunigung des Beschleunigungssensors um die Rotationsachse eine translatorische Bewegung des Kopplungselements entlang der Querrichtung, eine translatorische erste Auslenkungsbewegung der ersten seismischen Masse im Wesentlichen parallel zur Auslenkungsrichtung und eine translatorische zweite Auslenkungsbewegung der zweiten seismischen Masse im Wesentlichen antiparallel zur Auslenkungsrichtung bewirkt. In vorteilhafter Weise wird somit eine Übersetzung der Rotationsbeschleunigung in translatorische Auslenkungsbewegungen erzielt, welche einander entgegengesetzt sind. Auf diese Weise wird ebenfalls eine vergleichsweise präzise und volldifferentielle Sensierung der Rotationsbeschleunigung erzielt. Auch hier ist eine Vermessung einer translatorischen Auslenkungsbewegung mit vergleichsweise geringem Bauraumbedarf realisierbar, wobei die translatorische Bewegung des Kopplungselements zur Synchronisation der beiden Auslenkungsbewegungen und zur Unterdrückung von unerwünschten Auslenkungen durch lineare Beschleunigungen des Beschleunigungssensors dient.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Detektionsmittel eine Mehrzahl von substratfesten ersten Festelektroden und korrespondierenden ersten Gegenelektroden der ersten seismische Masse umfasst, wobei sich die ersten Festelektroden vorzugsweise parallel zur Querrichtung erstrecken und wobei die ersten Festelektroden vorzugsweise senkrecht zur Haupterstreckungsebene in entsprechende Aussparungen der ersten seismischen Masse vorstehen, und/oder wobei das zweite Detektionsmittel eine Mehrzahl von substratfesten zweiten Festelektroden und korrespondierenden zweiten Gegenelektroden der zweiten seismische Masse umfasst, wobei sich die zweiten Festelektroden vorzugsweise parallel zur Querrichtung erstrecken und wobei die zweiten Festelektroden vorzugsweise senkrecht zur Haupterstreckungsebene in entsprechende Aussparungen der zweiten seismischen Masse vorstehen. In vorteilhafter Weise wird somit eine vergleichsweise bauraumkompakte Realisierung des ersten und zweiten Detektionsmittels erzielt. Die erste bzw. zweite Auslenkungsbewegung ist dabei über eine Änderung der elektrischen Kapazität zwischen den ersten Festelektroden und den ersten Gegenelektroden bzw. zwischen den zweiten Festelektroden und den zweiten Gegenelektroden detektierbar. Alternativ ist vorgesehen, dass das erste Detektionsmittel weitere erste Festelektroden derart umfasst, dass im Wesentlichen jede erste Gegenelektrode entlang der Auslenkungsrichtung zwischen einer ersten Festelektrode und einer weiteren Festelektrode angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass sich bei einer ersten Auslenkungsbewegung die elektrische Kapazität zwischen der ersten Festelektrode und der Gegenelektrode erhöht/reduziert und sich die elektrische Kapazität zwischen der weiteren ersten Festelektrode und der Gegenelektrode dem Betrag nach und mit umgekehrten Vorzeichen in gleicher Weise reduziert/erhöht. Es ist somit schon eine differentielle Auswertung der ersten Auslenkungsbewegung möglich. Das zweite Detektionsmittel ist vorzugsweise analog ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kopplungselement mittels wenigstens eines Verankerungselements am Substrat um die Rotationsachse schwenkbar und/oder entlang der Querrichtung auslenkbar befestigt ist, wobei das Kopplungselement vorzugsweise über wenigstens eine erste Biegefeder mit dem substratfesten Verankerungselement gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das Kopplungselement dabei derart an das Substrat gekoppelt, dass das Kopplungsmittel elastisch um die Rotationsrichtung schwenkbar ist, während lineare Bewegungen des Kopplungsmittels unterdrückt werden. Alternativ ist das Kopplungselement ferner derart an das Substrat gekoppelt, dass das Kopplungsmittel elastisch entlang der Querrichtung translatorisch auslenkbar ist, während lineare Bewegungen des Kopplungsmittels entlang der Auslenkungsrichtung oder senkrecht zur Haupterstreckungsebene, sowie rotatorische Bewegungen unterdrückt werden. Durch die Unterdrückung der Störmoden wird die Messgenauigkeit des Beschleunigungssensors insgesamt erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste seismische Masse über eine erste Koppelfeder mit dem Kopplungselement gekoppelt ist und wobei die zweite seismische Masse über eine zweite Koppelfeder mit dem Kopplungselement gekoppelt ist, wobei bevorzugt die erste Koppelfeder in einem ersten Endbereich des Kopplungselements und die zweite Koppelfeder in einem zweiten Endbereich des Kopplungselements befestigt sind und wobei besonders bevorzugt die erste Biegefeder im Wesentlichen mittig zwischen dem ersten und zweiten Endbereichen am Kopplungselement befestigt ist. Vorteilhafterweise sind die ersten und zweiten Koppelfedern entlang der Auslenkungsrichtung steifer als entlang der Querrichtung ausgebildet, so dass Störmoden effektiv unterdrückt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Koppelfeder entlang der Querrichtung im Wesentlichen mittig an der ersten seismischen Masse und die zweite Koppelfeder entlang der Querrichtung im Wesentlichen mittig an der zweiten seismischen Masse befestigt sind oder wobei die erste seismische Masse exzentrisch an der ersten Koppelfeder und die zweite seismische Masse exzentrisch an der zweiten Koppelfeder aufgehängt sind. Durch die entlang der Querrichtung jeweils mittige bzw. zentrale Aufhängung der ersten bzw. zweiten seismischen Massen werden beim Vorliegen einer Drehbeschleunigung des Beschleunigungssensors die erste bzw. zweite seismische Masse im Wesentlichen parallel bzw. antiparallel zur Auslenkungsrichtung ausgelenkt, während rotatorische Komponenten unterdrückt werden. Auf diese Weise bewegen die Gegenelektroden sich senkrecht zu den Festelektroden, welche sich entlang der Querrichtung und senkrecht zur Auslenkungsrichtung erstrecken, so dass eine vergleichsweise präzise kapazitive Vermessung der Auslenkung in Abhängigkeit der sich verändernden Abstände erzielbar ist. Alternativ ist eine exzentrische, d.h. nicht mittige, Aufhängung der ersten bzw. zweiten seismischen Masse vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass die erste Auslenkungsbewegung nicht nur eine translatorische Komponente entlang der Auslenkungsrichtung hat, sondern auch eine rotatorische Komponente (Analog hat die zweite Auslenkungsbewegung nicht nur eine translatorische Komponten entgegen der Auslenkungsrichtung, sondern ebenfalls eine rotatorische Komponente). Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit erhöht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste und die zweite seismische Masse über ein im Wesentlichen starres weiteres Kopplungselement miteinander gekoppelt sind, welches um die zur Haupterstreckungsebene senkrechte Rotationsachse schwenkbar oder entlang der Querrichtung auslenkbar ist, wobei das weitere Kopplungselement bevorzugt auf einer dem Kopplungselement entlang der Auslenkungsrichtung gegenüberliegenden Seite der ersten und zweiten seismischen Masse angeordnet ist und/oder wobei das weitere Kopplungselement bevorzugt spiegelsymmetrisch zum Kopplungselement ausgebildet ist. Die Symmetrie des Aufbaus des Beschleunigungssensors wird somit erhöht, so dass eine vergleichsweise gute Unterdrückung von Auslenkungen aufgrund translatorischer Beschleunigungen des Beschleunigungssensors erzielbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste seismische Masse über wenigstens eine erste Befestigungsfeder und die zweite seismische Masse über wenigstens eine zweite Befestigungsfeder am Substrat befestigt sind, wobei vorzugsweise die erste und zweite jeweils entlang der Auslenkungsrichtung weicher als entlang der Querrichtung ausgebildet sind. In vorteilhafter Weise wird somit eine möglichst lineare translatorische erste bzw. zweite Auslenkungsbewegung parallel bzw. antiparallel zur Auslenkungsrichtung erzielt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensors zum Sensieren einer Rotationsbeschleunigung um eine Rotationsachse, wobei durch eine Rotationsbeschleunigung des Beschleunigungssensors um die Rotationsachse eine rotatorische Bewegung des Kopplungselements um die Rotationsachse oder eine translatorische Bewegung des Kopplungselements entlang der Querrichtung erzeugt wird, wobei durch die Bewegung des Kopplungselements eine translatorische erste Auslenkungsbewegung der ersten seismischen Masse im Wesentlichen parallel zur Auslenkungsrichtung und eine translatorische zweite Auslenkungsbewegung der zweiten seismischen Masse im Wesentlichen antiparallel zur Auslenkungsrichtung erzeugt werden und wobei die erste und die zweite Auslenkungsbewegung mittels eines ersten und zweiten Detektionsmittels detektiert werden. In vorteilhafter Weise wird die Rotationsbeschleunigung des Beschleunigungssensors somit in zwei translatorische Auslenkungsbewegungen übersetzt, welche vergleichsweise präzise und mit einer vergleichsweise bauraumkompakten Anordnung vermessbar sind. Ferner ist keine permanente Schwingungsanregung notwendig, so dass der Energieverbrauch vergleichsweise gering ist.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1a und 1b schematische Ansichten von Beschleunigungssensoren gemäß dem Stand der Technik,
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2a und 2b eine schematische Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine schematische Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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4 eine schematische Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In den 1a und 1b sind schematische Ansichten von Beschleunigungssensoren 300 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. In 1a ist ein Beschleunigungssensor 300 illustriert, bei welchem eine in Form eines „Speicherrads“ ausgebildete seismische Masse 301 über Biegefedern 305 an vier Verankerungspunkten 302 elastisch an einem Substrat 303 befestigt ist. Die vier Verankerungspunkte 302 sind symmetrisch um den Schwerpunkt 304 der seismischen Masse 301 verteilt, so dass eine rotatorische Auslenkung der seismischen Masse 301 ermöglicht und eine translatorische Auslenkung der seismischen Masse 301 unterdrückt wird. Eine Rotationsbeschleunigung des Beschleunigungssensors 300 um eine zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats 303 senkrechte Rotationsachse führt zur einer rotatorischen Auslenkung der seismischen Masse 301 in Umfangsrichtung um ihren Schwerpunkt 304 aufgrund von Trägheitskräften. Zur Bestimmung der Rotationsbeschleunigung wird diese rotatorische Auslenkung dann piezoresistiv oder kapazitiv erfasst. In 1b ist ein konventionelles Design eines aus dem Stand der Technik bekannten Linearbeschleunigungssensors 400 bekannt. Der Linearbeschleunigungssensor 400 umfasst eine perforierte seismische Masse 401, welche mittels Biegefedern 401 derart beweglich an einem Substrat 402 aufgehängt ist, dass die seismische Masse 401 parallel zu einer Längsrichtung 403 auslenkbar ist. Der Linearbeschleunigungssensor 400 weist ferner substratfeste Festelektroden 405 und weitere Festelektroden 406 auf, welche sich parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats 402 und senkrecht zur Längsrichtung 403 erstrecken. Ferner ragen die Festelektroden 405 und weiteren Festelektroden 406 senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Substrats 402 in entsprechende Aussparungen der seismischen Masse 401 empor. Die seismische Masse 401 weist korrespondierende Gegenelektroden 404 auf, welche entlang der Längsrichtung 403 jeweils zwischen einer Festelektrode 405 und einer weiteren Festelektrode 406 angeordnet sind. Eine Auslenkung der seismischen Masse 401 entlang der Längsrichtung 403 führt zu einer Abstandsänderung zwischen benachbarten Fest- und Gegenelektroden, welche über eine Messung der entsprechenden elektrischen Kapazität messbar ist. Über eine differentielle Auswertung der mittels der Festelektroden gemessenen Signale und der mittels der weiteren Festelektroden gemessenen Signale ist eine präzise Bestimmung der Beschleunigung des Linearbeschleunigers 440 in Längsrichtung möglich.
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In 2a und 2b eine schematische Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Beschleunigungssensor 1 weist ein Substrat 2 mit einer Haupterstreckungsebene 100 auf. Das Substrat 2 umfasst bevorzugt ein Halbleitermaterial und besonders bevorzugt ein Siliziummaterial. Der Beschleunigungssensor 1 umfasst ferner eine erste seismische Masse 10 und eine zweite seismische Masse 20. Die erste und die zweite seismische Masse 10, 20 sind jeweils beweglich gegenüber dem Substrat 1 bezüglich Bewegungen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 aufgehängt. Die erste und zweite seismische Masse 10, 20 sind insbesondere beweglich entlang einer zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Auslenkungsrichtung 102.
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Der Beschleunigungssensor 1 weist ferner ein im Wesentlichen starres Kopplungselement 30 und ein im Wesentlichen starres weiteres Kopplungselement 30‘ auf. Denkbar ist, dass das Kopplungselement 30 und das weitere Kopplungselement 30‘ jeweils geradlinig oder bogenförmig ausgebildet sind. An einem ersten Endbereich 35 des Kopplungselements 30 greift ein erstes Ende einer ersten Koppelfeder 33 an, dessen zweites Ende bezüglich einer Querrichtung 103 mittig an der ersten seismischen Masse 10 angreift, wobei die Querrichtung 103 im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur Auslenkungsrichtung 102 verläuft. Ferner greift an einem zweiten Endbereich 36 des Koppelelements 30 ein erstes Ende einer zweiten Koppelfeder 34 an, dessen zweites Ende entlang der Querrichtung 103 mittig an der zweiten seismischen Masse 20 angreift. Das Kopplungselement 30 ist im Wesentlichen mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Endbereich 35, 36 mittels einer Biegefeder 32 elastisch an einem substratfesten Verankerungselement 31 befestigt. Insbesondere ist das Koppelelement 30 derart befestigt, dass eine Schwenkbewegung des Koppelelements 30 im Wesentlichen um eine zur Haupterstreckungsebene 100 senkrechte Rotationsachse 101 ermöglicht wird, während rein translatorische bzw. lineare Bewegungen des Koppelelements 30 insbesondere parallel zur Haupterstreckungsebene 100 unterdrückt werden. Das weitere Koppelelement 30‘ ist baugleich zum Koppelelement 30 ausgebildet und in analoger Weise an die erste und zweite seismische Masse 10, 20 angebunden. Das weitere Kopplungselement 30‘ ist gegenüber dem Kopplungselement 30 bezüglich einer sich in Querrichtung 103 erstreckenden und mittig durch den Beschleunigungssensor 1 verlaufenden Symmetrieebene 200 spiegelsymmetrisch ausgebildet bzw. bezüglich der mittig durch den Beschleunigungssensor 1 verlaufenden Rotationsachse 101 rotationssymmetrisch (hinsichtlich einer Drehung um 180 Grad um die Rotationsachse 101) ausgebildet.
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Bei einer Rotationsbeschleunigung des Beschleunigungssensors 1 um die Rotationsachse 101 wirken auf die erste und zweite seismische Masse 10, 20 tangentiale Trägheitskräfte, wodurch die erste und zweite seismische Masse 10, 20 aus ihrer in 2a illustrierte Ausgangs- bzw. Ruhelage ausgelenkt werden. Die erste und die zweite seismische Masse 10, 20 sind über das Kopplungselement 30 und über das weitere Kopplungselement 30‘ dabei derart miteinander gekoppelt, dass im Wesentlichen nur einander gegengesetzte Auslenkungsbewegungen parallel bzw. antiparallel zur Auslenkungsrichtung 102 möglich sind. Dies ist vorliegend anhand von 2b beispielhaft illustriert. Der Beschleunigungssensor 1 erfährt entgegen dem Uhrzeigersinn eine Rotationszunahme (veranschaulicht anhand des Pfeils 201), wodurch auf die erste und zweite seismische Masse 10, 20 entsprechende, entgegengesetzte Trägheitskräfte wirken. Aufgrund der Kopplung über das Kopplungselement 30 und das weitere Kopplungselement 30‘ wird die seismische Masse 10 zu einer ersten Auslenkung 12 parallel zur Auslenkungsrichtung 102 und die zweite seismische Masse 20 zu einer zweiten Auslenkung 22 antiparallel zur Auslenkungsrichtung 102 gezwungen. Das Kopplungselement 30 und das weitere Kopplungselement 30‘ verschwenken aufgrund der Trägheitskräfte entlang des Uhrzeigersinns um die Rotationsachse 101, wobei sich die Biegefedern 32, 32‘ entsprechend verbiegen.
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Der Beschleunigungssensor 1 weist ferner erste Detektionsmittel 11 zur Detektion der ersten Auslenkung 12 und zweite Detektionsmittel 21 zur Detektion der zweiten Auslenkung 22 auf. Die ersten und zweiten Detektionsmittel 11, 21 sind dabei analog zu den anhand von 2 erklärten Detektionsmitteln des aus dem Stand der Technik bekannten Linearbeschleunigungssensor 400 ausgebildet. Die ersten Detektionsmittel 11 umfassen substratfeste erste Festelektroden, welche vom Substrat 2 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 in entsprechende schlitzförmige Aussparungen der ersten seismischen Masse 10 vorstehen. Die seismische Masse 10 weist entsprechende Gegenelektroden auf, wobei entlang der Auslenkungsrichtung 102 vorzugsweise genau eine Gegenelektrode benachbart zu einer Festelektrode angeordnet ist. Zur Vermessung der ersten Auslenkung 12 wird die elektrische Kapazität zwischen den Gegenelektroden und den Festelektroden gemessen. Die elektrische Kapazität hängt von dem Abstand zwischen den jeweiligen Elektroden ab, so dass durch die Auswertung der elektrischen Kapazität bzw. der Änderung der elektrischen Kapazität auf die Abstandsänderung zwischen den Elektroden und somit auf die Auslenkung der ersten seismischen Masse 10 gegenüber der Ruhelage geschlossen werden kann. In gleicher Weise ist mittels der zweiten Detektionsmittel 21 die entgegengesetzte Auslenkung 22 der zweiten seismischen Masse 20 gegenüber der Ruhelage bestimmbar. Eine differentielle Auswertung der elektrischen Kapazitätsänderung an den ersten und zweiten Detektionsmitteln ermöglicht eine Bereinigung der Messergebnisse um translatorische Anteile und erlaubt somit eine präzise Bestimmung der auf den Beschleunigungssensor wirkenden Rotationsbeschleunigung (auch als Winkelbeschleunigung bezeichnet). Alternativ ist denkbar, dass das erste Detektionsmittel 11 weitere Festelektroden umfassen, so dass entlang der Auslenkungsrichtung 102 genau eine Gegenelektrode immer zwischen einer Festelektrode und einer weiteren Festelektrode angeordnet ist. Auf diese Weise ist schon eine differenzielle Auswertung der ersten Auslenkung 12 bzw. eine differenzielle Auswertung der zweiten Auslenkung 22 möglich, so dass die Messgenauigkeit erhöht wird. Der Beschleunigungssensor 1 hat den Vorteil, dass eine von den Linearbeschleunigungssensoren im Wesentlichen bekannte Detektionsstruktur zur Vermessung einer Rotationsbeschleunigung Verwendung findet. Auf diese Weise ist eine vergleichsweise präzise Messung möglich, wobei gleichzeitig der benötigte Flächenbedarf reduziert wird.
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In 3 ist eine schematische Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der in 2a und 2b illustrierten ersten Ausführungsform gleicht, wobei die zweite Ausführungsform im Unterschied zur ersten Ausführungsform zusätzlich die erste seismische Masse 10 über vier erste Befestigungsfedern 13 am Substrat 2 befestigt ist und die zweite seismische Masse 20 über vier zweite Befestigungsfedern 23 am Substrat 2 befestigt ist. Die ersten und zweiten Befestigungsfedern 13, 23 sind derart ausgebildet, dass sie gegenüber Auslenkungen parallel zur Auslenkungsrichtung 102 weicher als gegenüber senkrecht zur Auslenkungsrichtung wirkenden Auslenkungen ist. Die erste und zweite seismische Masse 10, 20 werden somit zu Auslenkungen möglichst parallel bzw. antiparallel zur Auslenkungsrichtung 102 gezwungen.
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In 4 ist eine schematische Draufsicht auf einen Beschleunigungssensor 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die dritte Ausführungsform im Wesentlichen der in 2a und 2b illustrierten ersten Ausführungsform gleicht, wobei bei der dritten Ausführungsform im Unterschied zur ersten Ausführungsform das erste Koppelelemente 30 beim Vorliegen einer Rotationsbeschleunigung keine Schwenkbewegung um die Rotationsachse 101 durchführt, sondern stattdessen entlang der Querrichtung 103 ausgelenkt wird. Hierfür ist das Koppelelement 30 mittels vier Koppelbefestigungsfedern 40 am Substrat 2 befestigt, welche entlang der Querrichtung 103 weicher als senkrecht zur Querrichtung 103 ausgebildet sind. Zudem greift die erste bzw. weitere erste Koppelfeder 33, 33‘ nicht mittig, sondern jeweils exzentrisch an der ersten bzw. zweiten seismischen Masse 10, 20. Wenn auf den Beschleunigungssensor 1 nun eine Rotationsbeschleunigung entgegen des Uhrzeigersinns einwirkt, werden die erste und die zweite seismische Masse 10, 20 aufgrund ihrer asymmetrischen Aufhängung durch die Trägheitskräfte jeweils im Uhrzeigersinn verkippt. Das Kopplungselement 30 führt ferner eine translatorische Bewegung 105 parallel zur Querrichtung 103 durch, während das weitere Kopplungselement 30‘ eine der translatorischen Bewegung 105 entgegengesetzte weitere translatorische Bewegung 105‘ antiparallel zur Querrichtung 103 durchführt. Die Verkippung der ersten und zweiten seismischen Masse 10, 20 ist, wie bei der in 2a und 2b illustrierten ersten Ausführungsform mittels der ersten und zweiten Detektionsmittel 11, 21 detektierbar. Gemäß einer nicht abgebildeten bevorzugten Ausführungsform ist eine Kombination der ersten und dritten Ausführungsform denkbar, bei welche die erste und zweite seismische Masse 10, 20 in Folge der Trägheitskräfte sowohl eine rotatorische Auslenkung (ähnlich wie in 3), sowie eine translatorische Auslenkung (ähnlich wie in 2b) durchführen. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 1 erhöht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19719779 A1 [0002]
- DE 4022464 A1 [0003]
- DE 10108196 A1 [0004]
