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Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsvorrichtung für eine mikromechanische Sensoreinrichtung.
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Stand der Technik
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Beim Verpacken von mikromechanischen Sensoren ist es zum Teil zwingend erforderlich, störende Schwingungen vom empfindlichen Sensorelement fernzuhalten. An einem vorgesehenen Einbauort in einem Kraftfahrzeug sind die mikromechanischen Sensoren (z.B. Inertialsensoren, wie Drehraten- und Beschleunigungssensoren) unterschiedlichen Belastungen durch verschiedene Einflüsse ausgesetzt. Einen besonderen Einfluss stellt dabei eine Vibrationsbelastung dar, wie sie unter anderem für hochauflösende Inertialsensoren für ESP-Anwendungen in einem Steuergerät auftreten. Um die Sensoren vor diesen Vibrationen zu schützen bzw. zu entkoppeln, ist es notwendig, innerhalb der Sensorgehäuse spezielle Dämpfungsstrukturen und -materialien vorzusehen. Zu diesem Zweck wurden in der Vergangenheit externe und interne Dämpfer, wie sie beispielsweise die
DE 10 2006 026 878 A1 offenbart, verwendet. Für Sensoren in kostengünstigen Moldgehäusen, insbesondere für den Einsatz im Motorraum eines Kraftfahrzeugs gibt es noch keine zufriedenstellenden und kostengünstigen Lösungen. Insbesondere bei modernen LGA/BGA-Gehäusen ist eine wirksame Entkopplung von Leiterplatte und Sensor sehr wichtig, da das Gehäuse über keine Anschlussdrähte verfügt, welche etwa bei SOIC-(Small-Outline-Integrated Circuit) Gehäusen für eine gewisse Vibrationsentkopplung sorgen.
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US 2009/0085191 A1 offenbart ein umgebungsresistentes Modul, Mikropackage und Verfahren zur Herstellung derselben.
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KR 10 2005 0 070 403 A zeigt eine durch MEMS-Techniken bereitgestellte vibrationsisolierende Struktur.
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US 2004/0084208 A1 offenbart einen Gegenstand und ein Verfahren zum Reduzieren von externer Anregung von MEMS-Einrichtungen.
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US 2011/0075384 A1 offenbart Komponenten-befestigende Strukturen für elektronische Einrichtungen.
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DE 10 2007 011 293 A1 offenbart eine elektronische Baugruppe mit zumindest einem bewegungsempfindlichen Sensor.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Dämpfungsvorrichtung für mikromechanische Sensoren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Dämpfungsvorrichtung für eine mikromechanische Sensoreinrichtung, aufweisend wenigstens eine erste Zwischenlageneinrichtung mit wenigstens zwei Abschnitten, wobei ein zweiter Abschnitt um einen ersten Abschnitt herum angeordnet ist, wobei ein lateraler Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt ausgebildet ist, wobei eine federnde Einrichtung als integraler Teil der ersten Zwischenlageneinrichtung zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Lotballs oder als Lotbumps oder als Lotdepots ausgebildete Kontaktierungselemente der ersten Zwischenlageneinrichtung an einer mit einer Leiterplatte kontaktierbaren Seite des zweiten Abschnitts oder an einer mit der Leiterplatte kontaktierbaren Seite des ersten Abschnitts angeordnet sind, wobei die erste Zwischenlageneinrichtung ein Leiterplattenmaterial aufweist.
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Die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung stellt somit ein schwingfähiges, federndes System bereit, welches eine darauf gelagerte mikromechanische Sensoreinrichtung wirksam vor schädlichen Vibrationen und damit vor unerwünschten Beschädigungen schützen kann. Auf diese Weise kann je nach Wahl des Anwenders eine Lage einer mechanisch aktiven Masse der ersten Zwischenlageneinrichtung bestimmt werden. Dadurch kann vorteilhaft eine metallische Schicht des Leiterplattenmaterials für elektrische Verbindungen zwischen gegenüberliegenden Oberflächen der Zwischenlageneinrichtung bereitgestellt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Dämpfungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselemente elektrisch leitend sind, wobei mittels der Kontaktierungselemente elektrische Kontaktflächen auf einer Oberseite der ersten Zwischenlageneinrichtung über die federnde Einrichtung mit elektrischen Kontaktflächen auf der Unterseite der ersten Zwischenlageneinrichtung elektrisch leitend verbunden sind. Dadurch übernimmt die erste Zwischenlageneinrichtung noch zusätzlich eine elektrische Kontaktierungsfunktion, wodurch elektrische Anschlusskontakte der mikromechanischen Sensoreinrichtung an eine Leiterplatte, auf welcher die mikromechanische Sensoreinrichtung elektrisch kontaktiert ist, geführt sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass die federnde Einrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt wenigstens drei im Wesentlichen gleichmäßig angeordnete federnde Elemente aufweist. Ein Vorteil dieser spezifischen Ausgestaltung besteht darin, dass Dämpfungs- bzw. Schwingungseigenschaften der Dämpfungsvorrichtung besonders gleichmäßig ausgestaltet sind, wobei ein Ausschwingen der ersten Zwischenlageneinrichtung in alle drei Raumrichtungen unterstützt ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die federnden Elemente im Wesentlichen gleiche Federkonstanten aufweisen. Somit kann eine Vergleichmäßigung des Schwingungsverhaltens der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung noch gesteigert sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass ein Bereich um die federnde Einrichtung wenigstens partiell ein elastisches Dämpfungsmaterial aufweist. Damit kann vorteilhaft eine Resonanzüberhöhung des gesamten schwingfähigen Systems in einem Resonanzfrequenzbereich vermindert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial wenigstens eines oder mehrere aus der folgenden Gruppe aufweist: Silikonelastomer, Silikongel, Gel mit Füllstoffen, schaumstoffähnliches Material. Dadurch kann eine Auswahl bzw. eine Kombination von elastischen Dämpfungsmaterialien gezielt an Dämpfungserfordernisse angepasst werden.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das elastische Dämpfungsmaterial wenigstens partiell auf einer Oberseite des zweiten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung oder wenigstens partiell auf einer Oberseite des ersten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung angeordnet ist. Auf diese Art und Weise kann ein Übergangsbereich zwischen dem nicht schwingfähigen Anteil der ersten Zwischenlageneinrichtung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung an einem Einkoppeln einer Resonanzüberhöhung auf die gehäuste mikromechanische Sensoreinrichtung gehemmt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass eine zweite Zwischenlageneinrichtung mit einem Leiterplattenmaterial vorgesehen ist, die mit der ersten Zwischenlageneinrichtung elektrisch leitend verbunden ist, wobei die zweite Zwischenlageneinrichtung ein elektrisches Kontaktierungsschema der Oberseite der ersten Zwischenlageneinrichtung an einer Unterseite der zweiten Zwischenlageneinrichtung abbildet. Auf diese Art und Weise kann ein elektrisches Kontaktierungsraster bzw. -schema der gehäusten mikromechanischen Sensoreinrichtung von der zwischengeschalteten Dämpfungsvorrichtung unbeeinflusst, auf eine Leiterplatte, auf der die Sensoreinrichtung kontaktiert werden soll, übertragen werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass die Dämpfungsvorrichtung eine Abdeckeinrichtung zur Abdeckung der Dämpfungsvorrichtung mit der mikromechanischen Sensoreinrichtung aufweist. Mittels der zusätzlichen Abdeckvorrichtung kann die Dämpfungsvorrichtung wirksam vor einer Verschmutzung bzw. vor schädlichen EMV-Einflüssen geschützt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass die federnden Elemente metallisch ausgebildet sind. Mit dem Metall für die federnden Elemente steht ein in mechanischer Hinsicht gut definiertes Material zur Verfügung, welches aufgrund seiner gut reproduzierbaren Eigenschaften sehr gut an die Dämpfungserfordernisse der Dämpfungsvorrichtung angepasst werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die mikromechanische Sensoreinrichtung unterhalb des ersten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung befestigbar ist, wobei die zweite Zwischenlageneinrichtung elektrische Kontaktflächen des ersten Abschnitts elektrisch leitend mit elektrischen Kontaktflächen an einer Unterseite der zweiten Zwischenlageneinrichtung verbindet, wobei eine physikalische Masse an einer Oberseite des ersten Abschnitts zum Auswuchten der Dämpfungsvorrichtung mit der mikromechanischen Sensoreinrichtung vorgesehen ist. Auf diese Art und Weise entsteht eine Art von ausgewuchtetem, gehäustem Gesamtsystem, in welchem die mikromechanische Sensoreinrichtung vor Umwelteinflüssen geschützt und gewuchtet gewissermaßen hängend gelagert ist.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass eine physikalische Masse an einer Unterseite des ersten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung angeordnet ist, wobei die physikalische Masse derart ausgebildet ist, dass der Schwerpunkt der Dämpfungsvorrichtung mit der Sensoreinrichtung im Wesentlichen mittig in der ersten Zwischenlageneinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise entsteht ein gewuchteter Aufbau der Dämpfungsvorrichtung zu einer Vermeidung von Kippmoden durch Einbringung einer Zusatzmasse (z.B. in Form eines Metalls) an der Unterseite des ersten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung. Somit kann vorteilhaft bei einer mechanischen Anregung der Dämpfungsvorrichtung in einer bestimmten Richtung eine Schwingungsreaktion der Dämpfungsvorrichtung in derselben Richtung erzwungen werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass die physikalische Masse als eine Metalllage ausgebildet ist, wobei die Metalllage im Wesentlichen kontaktschlüssig mit der ersten Zwischenlageneinrichtung verbunden ist. Vorteilhaft wird auf diese Art und Weise die Ausbildung der physikalischen Zusatzmasse geometrisch in die Ebene der ersten Zwischenlageneinrichtung verlagert, wodurch ein raumsparender Aufbau der Dämpfungsvorrichtung unterstützt ist, sowie zusätzliche Zwischenlageneinrichtungen für Verdrahtungszwecke eliminiert werden können. Dadurch lassen sich bei geringer Bauhöhe und mit nur geringen Zusatzkosten ausgewuchtete Dämpfersysteme realisieren.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Masse unterhalb der ersten Zwischenlageneinrichtung wenigstens partiell angeordnet ist. Somit entsteht ein raumsparender Aufbau der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung, der sich durch eine Dimensionierung der Metalllage gut auswuchten lässt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sehen vor, dass die physikalische Masse vorwiegend oder im Wesentlichen ausschließlich unterhalb des zweiten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung angeordnet ist. Durch den auf diese Weise frei werdenden Platz unterhalb des ersten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung können vorteilhaft zusätzliche elektronische Schaltungskomponenten an der ersten Zwischenlageneinrichtung platziert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass eine Unterseite des ersten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung mit einer Leiterplatte elektrisch kontaktierbar ist. Auf diese Weise wird die mechanische Masse im außen angeordneten, zweiten Abschnitt der ersten Zwischenlageneinrichtung mechanisch wirksam. Vorteilhaft resultiert daraus eine verringerte laterale Dimensionierung der gesamten Dämpfungsvorrichtung, was ein raumsparendes Gesamtsystem unterstützt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass unterhalb des ersten Abschnitts oder unterhalb des ersten und des zweiten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung eine weitere massereiche Leiterplattenlage angeordnet ist, wobei eine Unterseite der ersten Zwischenlageneinrichtung mit der Leiterplatte elektrisch kontaktierbar ist. Dies entspricht der vorgenannten Ausführungsform mit dem Unterschied, dass nunmehr anstatt einer metallischen Zusatzmasse eine Zusatzmasse in Form einer konventionellen Leiterplattenlage vorgesehen ist. Eine elektrische Durchkontaktierung von elektrischen Leiterbahnen ist dadurch aus technologischen Gründen vorteilhaft wesentlich vereinfacht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass die Dämpfungsvorrichtung eine zweite Zwischenlageneinrichtung aufweist, die elektrisch leitend mit einer Oberseite des zweiten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung verbunden ist, wobei die zweite Zwischenlageneinrichtung elektrische Kontaktflächen elektrisch leitend mit Kontaktflächen an einer Unterseite des ersten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung verbindet. Die genannte Ausführungsform zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass eine pinkompatible Ausgestaltung von Kontakten der mikromechanischen Sensoreinrichtung erreicht werden kann. Dadurch kann je nach Wahl des Anwenders auf eine gedämpfte oder eine ungedämpfte Variante der mikromechanischen Sensoreinrichtung zurückgegriffen werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterplattenmaterial der ersten Zwischenlageneinrichtung einen Hohlraum aufweist, wobei elektrische Kontaktflächen auf einer Oberseite der ersten Zwischenlageneinrichtung mit Kontaktflächen an einer Unterseite des ersten Abschnitts der ersten Zwischenlageneinrichtung verbunden sind. Dadurch entfällt vorteilhaft die Notwendigkeit einer zusätzlichen Zwischenlageneinrichtung für Umverdrahtungszwecke. Durch die Kavität innerhalb der ersten Zwischenlageneinrichtung kann für eine Durchführung von elektrischen Leiterbahnen ein konventionelles Verbindungsverfahren mittels einer bekannten Leiterplattentechnik ausgeführt werden. Zudem entfällt dadurch vorteilhaft ein zusätzlicher Lötschritt eines Verlötens der zweiten Zwischenlageneinrichtung mit der ersten Zwischenlageneinrichtung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt der Dämpfungsvorrichtung mit der Sensoreinrichtung mittig angeordnet ist, wobei sich Trägheitsmomente der Sensoreinrichtung, der ersten Zwischenlageneinrichtung und der physikalischen Masse gegenseitig aufheben. Auf diese Art und Weise entsteht ein gut ausgewuchtetes Gesamtsystem, welches gegenüber schädlichen Vibrations- bzw. Schwingungseinflüssen weitgehend unempfindlich ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung sieht vor, dass ein Dämpfungsbereich der Dämpfungsvorrichtung in einem Frequenzbereich zwischen ungefähr 5 kHz und ungefähr 30 kHz liegt. Durch diese Auswahl kann ein üblicher Anregungs-Frequenzbereich von bekannten Drehratensensoren wirksam bedämpft werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Eigenresonanzfrequenz der Dämpfungsvorrichtung mit der mikromechanischen Sensoreinrichtung entsprechend unterhalb einer zu dämpfenden Frequenz liegt. Auf diese Art und Weise kann ein Einfluss einer Eigenresonanz auf die Dämpfungsvorrichtung wirkungsvoll minimiert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Es versteht sich von selbst, dass die Figuren lediglich dazu gedacht sind, die erfindungsgemäßen Prinzipien zu verdeutlichen, und dass den Figuren deshalb keinerlei Größenverhältnisse oder Abmessungen entnommen werden können.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 3 mehrere Ausführungsformen von ersten Zwischenlageneinrichtungen der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 6 eine Möglichkeit zu einer effizienten Ausspritzung der Federstrukturen der ersten Zwischenlageneinrichtung mit einem elastischen Dämpfungsmaterial;
- 7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 8 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 9 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 10 eine mittels einer Abdeckeinrichtung geschützte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 11 zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 12 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung, in welcher die gehäuste mikromechanische Sensoreinrichtung von der ersten Zwischenlageneinrichtung geschützt ist;
- 13 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 14 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 15 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 16 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung;
- 17 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung; und
- 18 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung.
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1 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100. Die Dämpfungsvorrichtung 100 weist dabei eine erste Zwischenlageneinrichtung 10 mit einem Leiterplattenmaterial auf, welche durch eine federnde Einrichtung 11 in einen zentral angeordneten ersten Abschnitt 12 und in einen, den ersten Abschnitt 12 ringartig umgebenden zweiten Abschnitt 13 unterteilt ist. Auf diese Weise wird ein lateraler Abstand zwischen den beiden genannten Abschnitten 12, 13 bzw. den beiden Substratteilen gebildet. Kontaktierungselemente 14 sind an einer Unterseite des zweiten Abschnitts 13 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 angeordnet. Die Kontaktierungselemente 14 können optional aber auch an einer Oberfläche einer Leiterplatte 60, auf der die Anordnung aus Sensoreinrichtung 1 und Dämpfungsvorrichtung 100 befestigt wird, angeordnet sein. Kontaktierungselemente 14 sind auch an einem Leiterplattensubstrat, auf dem die Sensoreinrichtung 1 befestigt ist, und damit auch an einer Oberseite des ersten Abschnitts 12 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 angeordnet.
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Die Kontaktierungselemente 14 sind vorzugsweise als Lotballs, Lotbumps oder als Lotdepots ausgeführt, wobei ein typischer Durchmesser eines einzelnen Kontaktierungselements 14 je nach Abstandsmaß der Kontaktierungselemente z.B. ungefähr 300 µm beträgt. Die Kontaktierungselemente 14 fungieren auch als Abstandselemente, die einen Abstand zwischen der Leiterplatte 60 und der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 bzw. der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 und dem Leiterplattensubstrat der Sensoreinrichtung 1 bereitstellen. Man erkennt also, dass mittels einer Auswahl einer geometrischen Abmessung der Kontaktierungselemente 14 die maximal mögliche mechanische Auslenkung und somit ein Ausmaß einer Schwingfähigkeit der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 dimensioniert werden kann. Auf diese Weise wird eine schwingfähige Struktur der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 gebildet. Insbesondere wird dadurch die gehäuste (z.B. mittels eines BGA oder LGA-Gehäuses) mikromechanische Sensoreinrichtung 1 (z.B. in Form eines MEMS-Sensors), die an einer Oberseite des ersten Abschnitts 12 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 starr befestigt ist, schwingfähig gelagert.
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Es wird also mittels der federnden Einrichtung 11 ein schwingfähig gelagertes Gesamtsystem gebildet, welches schädliche Vibrations- und Schwingungseinflüsse auf die Sensoreinrichtung 1 weitgehend dämpfen kann. Elektrisch leitende Kontaktflächen 16 sind an einer Oberseite des ersten Abschnitts 12 sowie an einer Unterseite des zweiten Abschnitts 13 angeordnet und miteinander elektrisch leitend verbunden. Zu diesem Zweck weist die erste Zwischenlageneinrichtung 10 ein Leiterplattenmaterial auf, wobei die Verbindungen über die federnde Einrichtung 11 geführt sind. Alternativ ist es auch denkbar, dass elektrische Verbindungen von der Sensoreinrichtung 1 separat mittels einer flexiblen Leiterplatte (nicht dargestellt) von der Sensoreinrichtung 1 zur Leiterplatte 60 geführt sind, ohne die erste Zwischenlageneinrichtung 10 als elektrisches Kontaktierungsmittel zu benutzen. In diesem Fall weist die erste Zwischenlageneinrichtung 10 eine rein mechanische Funktionalität auf.
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2 zeigt eine abgeänderte Variante der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100, wobei nunmehr im Wesentlichen der außen angeordnete zweite Abschnitt 13 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 schwingfähig ist, aufgrund der Tatsache, dass nunmehr der Mittenbereich durch die Kontaktierungselemente 14 mit der Leiterplatte 60 (nicht dargestellt in 2) kontaktiert ist. Es ist auch bei der Ausführungsform von 2 möglich, dass die Kontaktierungselemente 14 zugleich eine in der oben geschilderten Art und Weise elektrische Kontaktierungsfunktion übernehmen. Vibrationen, welche an einem Einbauort der Sensoren (beispielsweise auf einem Hydroaggregat im Motorbereich eines Kraftfahrzeugs) über die Leiterplatte 60 auf die erste Zwischenlageneinrichtung 10 angekoppelt werden, können somit über die Federstrukturen der federnden Einrichtung 11 vom eigentlichen Sensorgehäuse 1 entkoppelt werden.
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3 zeigt mehrere mögliche Ausgestaltungen der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100. In verschiedenen Variationen a bis h sind insgesamt acht verschiedene Formen der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 prinzipiell dargestellt. Ein im Wesentlichen gleichmäßiger lateraler Abstand ist jeweils zwischen dem ersten Abschnitt 12 und dem zweiten Abschnitt 13 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 erkennbar, wobei die federnde Einrichtung 11 die beiden Abschnitte 12, 13 miteinander verbindet. Aufgrund der spezifischen Ausgestaltung der federnden Einrichtung 11 ist eine Beweglichkeit des ersten Abschnitts 12 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 in alle drei Raumrichtungen unterstützt. Die drei Varianten a, b und c zeichnen sich dadurch aus, dass nur ein einziges federndes Element bzw. Federbalken 15 im Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, wodurch einerseits eine platzsparende Ausbildung der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 und andererseits eine besonders gute Schwingfähigkeit in alle drei Raumrichtungen unterstützt ist. Die federnden Einrichtungen 11 der Varianten d bis h weisen demgegenüber mehrere mäanderförmig ausgebildete federnde Elemente 15 auf, wodurch eine Elastizität und eine Robustheit der federnden Einrichtung 11 vorteilhaft erhöht sein kann. Die federnden Elemente 15 können vorzugsweise allesamt in etwa gleiche Federkonstanten aufweisen.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100. Insbesondere sind in dieser Ausführungsform elastische Dämpfungsmaterialien 50 im Bereich der federnden Einrichtung 11 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 vorgesehen. Auf diese Art und Weise kann ein Resonanzverhalten der Dämpfungsvorrichtung 100 dadurch verbessert werden, dass eine Resonanzüberhöhung, die die federnde Einrichtung 11 mit sich bringt, mittels des elastischen Dämpfungsmaterials 50 abgeschwächt wird. Das federnde Element 15 der federnden Einrichtung 11 kann vorzugsweise als eine metallische Feder (zum Beispiel aus Kupfer) ausgebildet sein, wodurch vorteilhaft eine gut bekannte, definierte Materialeigenschaft (z.B. Elastizitätsmodul) ausgenützt wird, mit der physikalische Schwingungseigenschaften der Dämpfungsvorrichtung 100 besonders gut zu dimensionieren sind. Die Cu-Feder der federnden Einrichtung 11 kann auf einfache Weise dadurch hergestellt werden, dass auf dem federnden Element 15 Leiterplattenmaterial oben und unten entfernt wird.
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Beim elastischen Dämpfungsmaterial 50 kann es sich vorzugsweise um ein Elastomer, zum Beispiel ein Silikonelastomer oder ein Silikongel, ein Gel mit Füllstoffen, zum Beispiel sandartige Füllstoffe oder schaumstoffähnliche Materialien handeln. Die Funktion des elastischen Dämpfungsmaterials 50 besteht vor allem in einer Optimierung der Güte des Feder-Masse-Systems der Dämpfungsvorrichtung 100, wodurch eine durch den Aufbau prinzipbedingt auftretende, eigentlich unerwünschte Resonanzüberhöhung durch den Einsatz des elastischen Dämpfungsmaterials 50 bedämpft wird. Zudem wirkt das elastische Dämpfungsmaterial 50 neben der Dämpfungsfunktion als eine zusätzliche Feder.
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Ein Dämpfereigenmodus kann durch Materialeigenschaften (beispielsweise Shore-Härte, intrinsische Dämpfung) und eine Geometrie des elastischen Dämpfungsmaterials 50 eingestellt werden. Die in 4 dargestellte Anordnung kann besonders vorteilhaft sein, da das Dämpfungsmaterial 50 vor dem Kontaktieren und Löten in einem separaten Prozessschritt, zum Beispiel durch Spritzen, Spritzgießen, Spritzpressen, Drucken oder Dispensen, aufgebracht werden kann. Dies vereinfacht deutlich die Prozesskette und das Fertigungsverfahren der ersten Zwischenlageneinrichtung 10. Zudem kann ein, nach dem Löten in den Freiraumbereich zwischen der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 und dem Sensorgehäuse bzw. zwischen der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 und dem Substratmaterial der Leiterplatte 60, durch die Höhe des Kontaktierungselements 14 bedingtes, hineinreichendes Dämpfungsmaterial 50 vorteilhaft als ein Partikelschutz fungieren. Innerhalb der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 ist eine elektrisch leitende Ebene angedeutet, die Teil des Leiterplattenmaterials der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 ist.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100, wobei nunmehr eine Ausbildung der federnden Einrichtung 11 als ein Substratfederbalken (Verbund aus Epoxidkunststoff, Kupferleiterbahnen und Isolations- bzw. Lötstopplack) vorgesehen ist. Dadurch ist eine Elastizität bzw. Robustheit der federnden Einrichtung 11 vorteilhaft erhöht und es können mehrere Leiterbahnen gegebenenfalls auch mehrlagig über die Federstrukturen geführt werden.
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6 zeigt eine prinzipielle Möglichkeit eines effizienten Anspritzens der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 mit elastischem Dämpfungsmaterial 50. Es ist angedeutet, dass von einem zentralen Punkt P aus zugleich mehrere, vorzugsweise wenigstens vier erste Zwischenlageneinrichtungen 10 mit dem elastischen Dämpfungsmaterial 50 angespritzt werden können.
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7 und 8 zeigen zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100, wobei die beiden genannten Ausführungsformen im Wesentlichen den Ausführungsformen von 1 und 2 entsprechen, mit dem Unterschied, dass nunmehr das elastische Dämpfungsmaterial 50 zwischen der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 und einem Leiterplattensubstrat der Sensoreinrichtung 1 eingefügt ist. Das elastische Dämpfungsmaterial 50 wird nunmehr, im Unterschied zu den Ausführungsformen von 4 und 5, bei In-der-Ebene-Bewegungen (lateral) auf Scherung mit Anteilen von Biegung und bei Aus-der-Ebene-heraus-Bewegungen auf Kompression belastet. Eine Frequenzlage der Resonanzen kann unter anderem über Abmessungen oder Strukturierungen von Gel-Feldern des elastischen Dämpfungsmaterials 50 eingestellt werden. Somit wird vorteilhaft eine sehr flexible Auslegung und Lagerung von auftretenden Anregungsmoden unterstützt.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100, wobei nunmehr eine zweite Zwischenlageneinrichtung 20 vorgesehen ist, welche ein Kontaktierungsschema („Balling-Raster“) der mittels eines BGA-Sensorgehäuses gehäusten mikromechanischen Sensoreinrichtung 1 unterhalb eines Gesamtverbundes nach außen abbildet. Somit übernimmt die zweite Zwischenlageneinrichtung 20 ausschließlich eine Umverdrahtungsfunktion und übernimmt im Wesentlichen keinerlei schwingungstechnische Aspekte der vorliegenden Erfindung. Vorteilhaft können auf diese Weise pinkompatible Varianten einer gedämpften oder ungedämpften Sensoreinrichtung 1 elektrisch leitend mit der Leiterplatte 60 verbunden werden.
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Eine in 10 gezeigte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100 zeichnet sich dadurch aus, dass eine Abdeckeinrichtung 40 vorgesehen ist, welche das System aus Sensoreinrichtung 1 und erster Zwischenlageneinrichtung 10 gegen äußere Einflüsse schützt. Auf diese Weise ergibt sich für die erfindungsgemäße Dämpfungsvorrichtung 100 vorteilhaft ein EMV- und/oder ein Handhabungsschutz, zum Beispiel für eine verbesserte manuelle Handhabung der Dämpfungsvorrichtung 100 mit der Sensoreinrichtung 1.
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11 zeigt zwei Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtungen 100, die jeweils mittels einer physikalischen Masse 70 ausgewuchtet sind, wobei ein Masseschwerpunkt des Gesamtsystems im Wesentlichen in der Ebene der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 angeordnet ist. In einer Variante a ist die physikalische Masse 70 an einer Unterseite des ersten Abschnitts 12 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 angeordnet. Alternativ oder auch zusätzlich können anstelle der physikalischen Masse 70 auch weitere passive elektronische Komponenten, beispielsweise Widerstände und/oder Kondensatoren, bestückt werden. Eine dritte Zwischenlageneinrichtung 30 dient zu einer elektrischen Kontaktierung der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 mit der zweiten Zwischenanlageneinrichtung 20.
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Die Varianten a und b unterscheiden sich lediglich dadurch, dass die Variante b eine kavitätsförmig ausgebildete zweite Zwischenlageneinrichtung 20 aufweist. Mittels der kavitätsförmig ausgebildeten zweiten Zwischenlageneinrichtung 20 in Variante b kann vorteilhaft auf die dritte Zwischenlageneinrichtung 30 verzichtet werden. Es ist auch denkbar, die beiden Varianten a und b jeweils ohne die zweite Zwischenlageneinrichtung 20 (bzw. dritte Zwischenlageneinrichtung 30 von Variante a) auszugestalten, wobei dann eine Dicke der physikalischen Masse 70 kleiner als eine Höhe der Kontaktierungselemente 14 für die Leiterplatte 60 (nicht dargestellt) sein muss. Alternativ kann die physikalische Masse 70 auch in eine Kavität des ersten Abschnitts 12 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 „versenkt“ werden (nicht dargestellt).
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12 zeigt eine Abwandlung der Varianten von 11, wobei gegenüber der Ausführungsform von 11 die Anordnungen der Sensoreinrichtung 1 und der physikalischen Masse 70 miteinander vertauscht sind. Dies führt dazu, dass die Sensoreinrichtung 1 innerhalb der kavitätsförmig ausgebildeten zweiten Zwischenlageneinrichtung 20 gewissermaßen „hängend“ unterhalb am ersten Abschnitt 12 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 angeordnet ist. Um nunmehr eine statische und dynamische Auswuchtung zu erreichen, ist die physikalische Masse 70 an der Oberseite des ersten Abschnitts 12 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 angeordnet. Es ergibt sich dadurch ein ausgewuchteter Aufbau des Gesamtsystems zur Vermeidung von Kippmoden. Kern dieser Ausführungsform ist ein, bezogen auf den Masseschwerpunkt, möglichst symmetrischer Aufbau des Gesamtsystems der Dämpfungsvorrichtung 100. Die zusätzliche zweite Zwischenlageneinrichtung 20 kann als eine schützende Umhüllung oder auch zu einer Übertragung eines Kontaktierungsschemas der Sensoreinrichtung 1 an eine Leiterplatte 60 (nicht dargestellt) dienen und kann optional Metalllagen (z.B. aus Kupfer oder Edelstahl, nicht dargestellt) zum Zwecke einer EMV-Abschirmung aufweisen.
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Die drei in den 11 und 12 dargestellten Ausführungsformen können unter Umständen sehr voluminöse physikalische Massen 70 erfordern. Dies ist dadurch begründet, dass die Anordnungen infolge ihrer Nähe zu einem Schwerpunkt ein kleines Drehmoment aufweisen und dadurch sehr große Ausgleichsmassen erfordern.
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Als ausgleichende Maßnahme schlägt daher die Ausführungsform der Dämpfungsvorrichtung 100 der 13 vor, die physikalische Masse 70 flächig (zum Beispiel in Form einer Metall (Kupfer)-Lage) auszubilden und in einen, im Wesentlichen ununterbrochenen, flächigen Kontakt mit der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 zu bringen. Die eingebrachte physikalische Masse 70 dient dabei sowohl zu einem Einstellen einer Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems (Designparameter Masse), wie auch zu einem Auswuchten der Dämpfungsvorrichtung 100 (Designparameter Masseverteilung bzw. Trägheitsmoment). Bei der Ausbildung einer derartigen physikalischen Masse 70 kann vorteilhaft auf in der Leiterplattentechnologie etablierte Standardprozesse zurückgegriffen werden, wobei die genannte flächige, metallische Zusatzmasse für die vorliegende Erfindung ausschließlich einen Gewichtsaspekt (keinerlei thermische Aspekte) aufweist. Drehachsen für das dynamische Auswuchten des Systems werden durch die mikromechanischen Sensoreinrichtungen 1 vorgegeben (Antriebs- bzw. Sensierrichtung bei einem Drehratensensor bzw. Sensierrichtung bei einem Beschleunigungssensor). Das System sollte bezüglich der genannten Achsen ausgewuchtet werden. Im ausgewuchteten Zustand fallen Hauptachsen eines Trägheitsellipsoids des schwingfähigen Aufbaus mit den Sensitivitätsachsen der Sensoreinrichtung 1 zusammen, wodurch der Vektor des Drehimpulses parallel zur Drehachse ist. Ein Schwerpunkt S, bezüglich dessen das Gesamtsystem mittig ausgewuchtet ist, ist in der 13 angedeutet.
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14 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform von 13. Es wird nunmehr eine unterbrochene physikalische Zusatzmasse 70 auf die Unterseite der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 aufgebracht, wobei ein Zentralbereich der Gesamtanordnung ausgespart ist. Daraus resultiert eine Massereduzierung, die aber vorteilhaft lediglich eine geringe Auswirkung auf das Trägheitsmoment der Gesamtanordnung hat. Der freie Platz auf der Substratunterseite der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 kann vorteilhaft und optional zu einer Bestückung mit weiteren Schaltungskomponenten 80 (z.B. Widerstände, Kondensatoren) genutzt werden. Ein Schwerpunkt S, bezüglich dessen das Gesamtsystem mittig ausgewuchtet ist, ist in der 14 angedeutet.
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Die 15 und 16 zeigen zwei weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100 mit einer in die erste Zwischenlageneinrichtung 10 verlagerten physikalischen Masse 70. Vorteilhaft ist bei diesen Ausführungsformen eine verringerte laterale Abmessung des Gesamtsystems möglich. Dies ist dadurch bedingt, dass die wirksame mechanische Masse nunmehr im Wesentlichen im zweiten, äußeren Abschnitt 13 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 liegt. Bei diesen beiden Ausführungsformen erfolgt eine Kontaktierung von Anschlüssen der Sensoreinrichtung 1 an einer Oberseite des zweiten Abschnitts 13 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10. Die Anschlüsse werden über Kontaktflächen 16 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 an eine Unterseite der physikalischen Masse 70 durchkontaktiert, wobei die Variante von 16 das Spezifikum aufweist, dass unterhalb des ersten Abschnitts 12 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 die physikalische Masse 70 nicht in Form eines Metalls, sondern in Form eines konventionellem Leiterplattensubstrats angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Durchkontaktierung der Anschlüsse im Vergleich zur Ausführungsform von 15 bedeutend erleichtert sein. Zudem trägt die derart erreichte Gewichtsreduzierung zu einem vereinfachten und verbesserten Überkopflöten des Gesamtsystems bei.
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17 zeigt eine Ausführungsform der Dämpfungsvorrichtung 100, die vorzugsweise dann vorzusehen ist, wenn eine laterale Abmessung der Sensoreinrichtung 1 im Vergleich zur ersten Zwischenlageneinrichtung 10 klein ausgebildet ist. Es wird in diesem Fall eine zweite Zwischenlageneinrichtung 20 elektrisch leitend zwischen der Sensoreinrichtung 1 und der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 angeordnet, wobei die zweite Zwischenlageneinrichtung 20 lediglich zu einem elektrischen Durchkontaktieren von elektrischen Kontakten der Sensoreinrichtung 1 an die erste Zwischenlageneinrichtung 10 dient. Auf einem freien Platz einer Oberseite der zweiten Zwischenlageneinrichtung 20 können vorteilhaft weitere Schaltungskomponenten 80 angeordnet werden. Unterhalb eines zweiten Abschnitts 13 der ersten Zwischenlageneinrichtung10 ist eine physikalische Masse 70 angeordnet, die wahlweise als Metall oder als Substratmaterial ausgebildet sein kann. Als besonderer Vorteil der genannten Ausführungsform ist die Kontaktierungskompatibilität des Sensormoduls mit der Dämpfungsvorrichtung 100 zu sehen, wodurch die Sensoreinrichtung 1 je nach Anwendungsfall mit oder ohne Dämpfungsvorrichtung 100 mit der Leiterplatte 60 (nicht dargestellt) kontaktiert werden kann.
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18 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dämpfungsvorrichtung 100. Die erste Zwischenlageneinrichtung 10 weist dabei einen Hohlraum auf, wodurch Verbindungen zwischen elektrischen Kontaktflächen 16 der ersten Zwischenlageneinrichtung 10 mittels konventioneller Leiterplattentechnik möglich sind. Beispielsweise kann dies mittels Laminieren und anschließendem Einbringen von Durchkontaktierungen erfolgen, wodurch im Vergleich mit der Ausführungsform von 17 ein zusätzlicher Lötschritt entfällt. Die Ausführungsform von 18 bietet sich aufgrund der einfacheren Herstellung insbesondere in solchen Fällen an, in denen auf das elastische Dämpfungsmaterial 50 verzichtet werden kann.
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Alle vorgenannten Dämpfungsvorrichtungen 100 dämpfen besonders effektiv gegen Störungen vorzugsweise ungefähr in einem Bereich ab ca. 5 kHz, weil dies ein Frequenzbereich ist, in dem die Sensoreinrichtungen 1 aufgrund einer Anregung in diesem Frequenzbereich besonders störempfindlich sind.
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Für die mikromechanische Sensoreinrichtung 1, die mittels der erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung 100 bedämpft werden soll, können selbstverständlich auch vorstehend nicht genannte Gehäusetypen verwendet werden.
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Zusammenfassend wird mit der Erfindung eine verbesserte Dämpfungsvorrichtung für einen gehäusten mikromechanischen Sensor vorgeschlagen, mit dem es möglich ist, eine Auswirkung von schädlichen Vibrations- und Schwingungseffekten auf die Sensoreinrichtung zu minimieren. Das erfindungsgemäße Prinzip lässt sich, wie oben beschrieben, durch eine Vielzahl von Abwandlungen und Variationen realisieren, wobei es sich von selbst versteht, dass alle beschriebenen Ausführungsformen lediglich als beispielhaft zu sehen sind und dass Abwandlungen von Ausführungsformen auch dann realisierbar sind, wenn sie vorgehend nicht oder nicht mit allen Merkmalen beschrieben worden sind.
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Für den Fachmann ist es also selbstverständlich, dass Merkmale der Erfindung abgeändert und miteinander kombiniert werden können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
