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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungssensor und auf ein Verfahren zum Herstellen eines Beschleunigungssensors.
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Kostengünstige Beschleunigungssensoren werden typischerweise als MEMS Sensoren (MEMS = micro-electro-mechanical system) angeboten. Hierfür wird eine Feder-Masse Struktur in Silizium geätzt und durch ein geeignetes Auswerteverfahren wird die Auslenkung der Masse bestimmt und als Beschleunigungssignal ausgegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Beschleunigungssensor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Beschleunigungssensors gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Eine gängige Leiterplatte kann zur Herstellung eines Feder-Masse-Systems genutzt werden. Wird eine geeignete Auswerteschaltung mit dem Feder-Masse-System gekoppelt, so lässt sich ein Beschleunigungssensor realisieren. Ein solcher Beschleunigungssensor kann ohne eigentliches MEMS-Element auskommen und daher kostengünstig und einfach hergestellt realisiert werden.
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Ein entsprechender Beschleunigungssensor kann durch die Erzeugung eines Feder-Masse Systems aus einer PCB-Leiterplatte (PCP = printed circuit board) und der Auswerteschaltung selbst realisiert werden. Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteschaltung, beispielsweise in Form eines ASICs, so strukturiert, dass z. B. an einer Seite der Auswerteschaltung eine oder mehrere Detektionsstrukturen ausgebildet sind, sodass hiermit die Auslenkung gegenüber einer feststehenden Struktur gemessen werden kann.
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Ein solcher Beschleunigungssensor bietet sich beispielsweise an, um einen einfachen Schalter zu realisieren, der nur auf Lageänderungen basiert. Ein solcher Beschleunigungssensor kann mit 2 Bit pro Achse, z. B. nur oben/unten oder gegebenenfalls mit 3 Bit aufgeführt sein. Für einen solchen Schalter ist der beschriebene Beschleunigungssensor im Unterschied zu einem echten MEMS-Beschleunigungssensor kostengünstig genug und bietet dennoch die hierfür erforderliche Performance.
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Ein Beschleunigungssensor weist folgende Merkmale auf:
eine Leiterplatte mit einer eine Federstruktur freistellenden Aussparung, wobei die Federstruktur aus einem durch die Aussparung freigestellten Material der Leiterplatte geformt ist und ein Schwingelement aufweist, das über zumindest ein Federelement federnd gehalten wird;
ein Referenzelement;
eine elektrische Schaltung, die beabstandet zu dem Referenzelement angeordnet ist und zumindest ein Detektionselement aufweist, wobei die Schaltung ausgebildet ist, um ein durch eine Abstandsänderung zwischen dem Referenzelement und dem mindestens einem Detektionselement beeinflussbares Signal auszuwerten, um eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors zu erfassen; und
wobei entweder die elektrische Schaltung auf dem Schwingelement angeordnet ist und das Referenzelement starr mit der Leiterplatte verbunden und beabstandet und gegenüberliegend zu dem Schwingelement angeordnet ist, oder aber das Referenzelement auf dem Schwingelement angeordnet ist und die elektrische Schaltung starr mit der Leiterplatte verbunden und beabstandet und gegenüberliegend zu dem Schwingelement angeordnet ist.
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Mittels eines Beschleunigungssensors kann eine Beschleunigung eines Objekts detektiert werden, mit dem der Beschleunigungssensor gekoppelt ist. Beispielsweise kann der Beschleunigungssensor eingesetzt werden, um eine Betätigung eines Schalters oder eine Änderung einer Bewegung einer Vorrichtung, beispielsweise eines Fahrzeugs oder eines mobilen Geräts zu erfassen. Der Beschleunigungssensor kann ausgebildet sein, um ansprechend auf eine erfasste Beschleunigung ein elektrisches Signal auszugeben oder bereitzustellen, das die erfasste Beschleunigung anzeigt. Je nach Ausführungsform kann der Beschleunigungssensor ausgebildet sein, um eine Richtung einer erfassten Beschleunigung und zusätzlich oder alternativ einen Wert einer erfassten Beschleunigung anzuzeigen.
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Unter einer Leiterplatte kann ein Träger für elektronische Bauteile verstanden werden. Solche elektronischen Bauteile können separat von der Leiterplatte gefertigt werden und durch einen geeigneten Fügeprozess, beispielsweise Löten oder Bonden, mit geeigneten Kontaktierungsstellen der Leiterplatte verbunden werden. Durch den Fügeprozess kann eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen einer Leiterbahn der Leiterplatte und einem elektrischen Anschlusskontakt des elektrischen Bauteils geschaffen werden. Die Leiterplatte kann auch als Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung bezeichnet werden. Die Leiterplatte oder zumindest wesentliche Teile der Leiterplatte, beispielsweise die Leiterbahnen, können ohne die Verwendung von Halbleitermaterial ausgeführt sein. Es kann sich somit um eine halbleiterfreie Leiterplatte handeln.
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Die Aussparung kann einen in einen Körper der Leiterplatte hineinreichenden Hohlraum darstellen. Die Aussparung kann sich ausgehend von einer Außenfläche der Leiterplatte in die Leiterplatte hinein erstrecken und dabei die Leiterplatte nicht vollständig durchdringen oder aber die Leiterplatte als eine Durchgangsöffnung durchdringen. Die Aussparung der Leiterplatte kann während der Fertigung der Leiterplatte dadurch erzeugt werden, dass einzelne Lagen der Leiterplatte vor oder nach dem Aufbringen auf einen die Leiterplatte bildenden Stapel mit Vertiefungen oder Durchgangslöchern versehen werden. Die Aussparung kann sich teilweise neben und in Bezug auf die Außenfläche unterhalb der Federstruktur erstrecken. Die Federstruktur kann durch eine oder mehrere der Außenfläche zugewandten Schichten der Leiterplatte gebildet sein. Das Schwingelement kann plattenförmig ausgeführt sein. Das zumindest eine Federelement kann als ein geradliniger, gebogener oder abgewinkelter Steg ausgeführt sein. Ein erstes Ende des Federelements kann mit dem Schwingelement und ein gegenüberliegendes zweites Ende des Federelements kann mit dem die Federstruktur umgebenden Material der Leiterplatte verbunden sein.
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Je nach Ausführung kann das Federelement ausgebildet sein, um eine Bewegung des Schwingelements in eine oder mehrere Richtungen zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Federelement ausgebildet sein, um eine Bewegung des Schwingelements orthogonal zu einer Ebene der Außenfläche der Leiterplatte und zusätzlich oder alternativ eine Bewegung des Schwingelements parallel zu der Ebene der Außenfläche zu ermöglichen. Das Federelement kann ausgebildet sein, um das Schwingelement bei einer Auslenkung in eine Ruhestellung des Schwingelements zurückzuführen.
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Je nach Ausführungsform kann entweder das Referenzelement beweglich und das Detektionselement starr gegenüber der Leiterplatte ausgeführt sein, oder umgekehrt.
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Das Referenzelement kann als eine elektrisch leitfähige Schicht, beispielsweise in Form einer Elektrode ausgeführt sein. Das Referenzelement kann an einer die Federstruktur überspannenden und mit der Leiterplatte fest verbundenen Trägerstruktur angeordnet sein oder Teil einer solchen Trägerstruktur sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Referenzelement im Bereich der Aussparung, gegenüberliegend zu dem Schwingelement auf der Leiterplatte angeordnet sein. Somit kann das Referenzelement auch unter dem Detektionselement, d. h. direkt auf der Leiterplatte sein. Das Referenzelement kann über eine elektrische Leitung elektrisch mit der Leiterplatte verbunden sein oder elektrisch von der Leiterplatte isoliert sein.
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Die elektrische Schaltung kann eine integrierte Schaltung, beispielsweise ein ASIC oder ein FPGA sein. Die Schaltung kann auf einem Halbleitermaterial basieren. Die Schaltung kann elektrische Kontakte, beispielsweise Lötkontakte, aufweisen, über die die Schaltung mit entsprechenden Kontakten des Schwingelements mechanisch und elektrisch verbunden sein kann. Beispielsweise kann die elektrische Schaltung über elektrische Leitungen der Federstruktur mit einer elektrischen Betriebsspannung versorgt werden. Die Schaltung kann als diskretes Bauteil an dem Schwingelement befestigt worden sein und somit unabhängig von der Leiterplatte gefertigt worden sein. Das Detektionselement kann eine elektrische leitfähige Struktur aufweisen, beispielsweise in Form einer Elektrode oder einer Spule. Das Detektionselement kann an einer Außenseite eines Körpers oder eines Gehäuses der elektrischen Schaltung angeordnet sein. Das Detektionselement kann über eine elektrische Leitung mit einem Kontakt der elektrischen Schaltung verbunden sein oder einen solchen Kontakt darstellen. Das Detektionselement kann dem Referenzelement gegenüberliegend angeordnet sein. Die Schaltung kann ausgebildet sein, um eine kapazitive oder induktive Kopplung zwischen dem Detektionselement und dem Referenzelement auszuwerten, um die Abstandsänderung zu detektieren. Ferner kann die Schaltung ausgebildet sein, um aus einem zeitlichen Verlauf und zusätzlich oder alternativ aus einem Ausmaß der Abstandsänderung die Beschleunigung des Beschleunigungssensors zu erfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Leiterplatte zumindest eine Isolierlage aus einem elektrisch isolierenden Material und zumindest eine strukturierte Leitungslage aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweisen. Dabei kann die Federstruktur die zumindest eine Isolierlage und die zumindest eine Leitungslage umfassen. Anschlussleitungen der elektrischen Schaltung können über die Leitungslage geführt sein. Bei dem leitfähigen Material kann es sich um Kupfer handeln. Die Isolierlage kann beispielsweise Kunststoff umfassen. Beispielsweise kann es sich dabei um ein Harz handeln. Alternativ kann die Isolierlage beispielsweise aus Teflon oder Keramik ausgeführt sein.
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Die elektrische Schaltung kann eine mittels einer Fügeverbindung auf dem Schwingelement befestigte integrierte Schaltung darstellten. Bei der Fügeverbindung kann es sich um eine Lötverbindung handeln. Wird die elektrische Schaltung durch einen Lötprozess an dem Schwingelement befestigt, so können in demselben Prozessschritt eine oder mehrere weitere Schaltungen auf der Außenfläche der Leiterplatte befestigt werden.
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Das Detektionselement kann als eine flächige Elektrode oder als eine Spule ausgeführt sein. Ist das Detektionselement als eine Elektrode ausgeführt, so kann die elektrische Schaltung ausgebildet sein, um die Beschleunigung über eine kapazitive Auswertung zu ermitteln. Ist das Detektionselement als eine Spule oder eine Wicklung ausgeführt, so kann die elektrische Schaltung ausgebildet sein, um die Beschleunigung über eine Wirbelstrom-basierte Auswertung zu ermitteln.
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Das Federelement kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Beispielsweise kann das Federelement als eine Spiralfeder ausgeformt sein. Eine Spiralfeder ermöglicht Bewegungen des Schwingelements in unterschiedliche Raumrichtungen. Auch kann das Federelement mehrere Kontaktpunkte, beispielsweise vier Kontaktpunkte (auf jeder Seite einen) zum durch die Leiterplatte gebildeten Rahmen haben. Das Federelement kann beispielsweise aus mehreren Einzelfedern oder mehreren einzelnen Federabschnitten aufgebaut sein, die jeweils sowohl mit der Leiterplatte als auch mit dem Schwingelement verbunden sein können. Gemäß einer Ausführungsform kann die elektrische Schaltung eine Mehrzahl von Detektionselementen aufweisen und ausgebildet sein, um eine Mehrzahl von durch eine Abstandsänderung zwischen dem Referenzelement und der Mehrzahl von Detektionselementen beeinflussbaren Signalen auszuwerten, um Beschleunigungen des Beschleunigungssensors in zumindest zwei orthogonal zueinander stehenden Richtungen zu erfassen. Beispielsweise können zumindest zwei Detektionselemente, drei Detektionselemente oder vier Detektionselemente benachbart zueinander in einer Ebene angeordnet sein. Die zumindest zwei orthogonal zueinander stehenden Richtungen können beispielsweise in Bezug auf die Ebene der Außenfläche der Leiterplatte eine laterale und eine vertikale, zwei laterale oder eine vertikale und zwei laterale Bewegungsrichtungen umfassen.
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Der Beschleunigungssensor kann ein Gehäuse aufweisen, das starr mit der Leiterplatte verbunden ist. Das Gehäuse kann die Federstruktur mit der elektrischen Schaltung überspannen. Dabei kann das Gehäuse das Referenzelement umfassen. Das Gehäuse kann beispielsweise aus Metall oder aus Kunststoff sein. Auch kann das Gehäuse eine Vergussmasse umfassen oder durch eine Vergussmasse gebildet sein. Beispielsweise kann das Referenzelement an dem Gehäuse angeordnet sein, in ein Material des Gehäuses integriert sein oder durch einen Abschnitt des Gehäuses gebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Referenzelement zumindest eine Elektrode umfassen. Umfasst die Schaltung mehrere Detektionselemente, so kann sich die Elektrode flächenmäßig über die mehreren Detektionselemente erstrecken. Auch kann für jedes Detektionselement ein eigenes Referenzelement vorgesehen sein.
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Die elektrische Schaltung kann ausgebildet sein, um die Abstandsänderung zwischen dem Referenzelement und dem mindestens einem Detektionselement durch eine kapazitive oder Wirbelstrom-basierte Auswertemethode zu erfassen. Solche Auswertemethoden sind sehr genau.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Beschleunigungssensors umfasst die folgenden Schritte:
Bereitstellen einer Leiterplatte mit einer eine Federstruktur freistellenden Aussparung, wobei die Federstruktur aus einem durch die Aussparung freigestellten Material der Leiterplatte geformt ist und ein Schwingelement aufweist, das über zumindest ein Federelement federnd gehalten wird;
Bereitstellen einer elektrischen Schaltung, die zumindest ein Detektionselement aufweist, wobei die Schaltung ausgebildet ist, um ein durch eine Abstandsänderung zwischen einem Referenzelement und dem mindestens einem Detektionselement beeinflussbares Signal auszuwerten, um eine Beschleunigung des Beschleunigungssensors zu erfassen; und
Verbinden des Referenzelements starr mit der Leiterplatte, sodass das Referenzelement beabstandet und gegenüberliegend zu dem zumindest einem Detektionselement angeordnet ist, oder Anordnen des Referenzelements auf dem Schwingelement und Verbinden der elektrischen Schaltung starr mit der Leiterplatte, sodass das Referenzelement beabstandet und gegenüberliegend zu dem zumindest einem Detektionselement angeordnet ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch einen Beschleunigungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Aufsicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Aufsicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt einen Querschnitt durch einen Beschleunigungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Beschleunigungssensor umfasst eine Leiterplatte 102 die eine strukturierte Aussparung 104 aufweist. Die Aussparung 104 umfasst einen sich im Inneren der Leiterplatte 102 befindlichen Hohlraum, der sich stellenweise bis zu einer Außenseite, hier der Oberfläche der Leiterplatte 102 erstreckt. Durch die strukturierte Aussparung 104 wird aus dem Material der Leiterplatte 102 eine Federstruktur freigestellt. Die Federstruktur umfasst ein Federelement 106 und ein Schwingelement 108. Das Federelement 106 und das Schwingelement 108 sind aus einer oder mehreren äußeren Schichten der Leiterplatte 102 aufgebaut. Das Federelement 106 und das Schwingelement 108 weisen die gleiche Dicke auf. Der Hohlraum der Aussparung 104 erstreckt sich unter dem Federelement 106 und dem Schwingelement 108 hindurch sowie, abgesehen von Verbindungsstellen zwischen dem Federelement 106 und dem Hauptkörper der Leiterplatte 102 und dem Schwingelement 108, seitlich neben dem Federelement 106 und dem Schwingelement 108. Auf diese Weise kann das Schwingelement 108 eine Relativbewegung in Bezug zu dem Hauptkörper der Leiterplatte 102 ausführen. Unter Hauptkörper kann hier, abgesehen von der Federstruktur, die komplette restliche Leiterplatte 102 verstanden werden. Wird auf den Hauptkörper der Leiterplatte 102 eine Kraft ausgeübt, die eine Beschleunigung der Leiterplatte 102 bewirkt, so führt dies zu der Relativbewegung zwischen dem Hauptkörper der Leiterplatte 102 und dem Schwingelement 108. Das Federelement 106 ist ausgebildet, um das Schwingelement 108 nach einer Auslenkung gegenüber dem Hauptkörper der Leiterplatte 102 wieder in die in 1 gezeigte Ruhelage zurückzuführen.
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Der Beschleunigungssensor weist eine elektrische Schaltung 110 auf, die auf einer Oberfläche des Schwingelements 108 angeordnet und befestigt ist. Die Schaltung 110 ist auf einer dem Hohlraum der Aussparung 104 gegenüberliegenden Oberfläche des Schwingelements 108 angeordnet. Die Schaltung 110 erhebt sich über die Außenseite der Leiterplatte 102. Auf einer dem Schwingelement 108 abgewandten Oberfläche der Schaltung 110 ist zumindest ein Detektionselement 112 angeordnet. In 1 ist das Detektionselement 112 nur schematisch dargestellt. Das Detektionselement 112 kann auf die Oberfläche der Schaltung 110 aufgesetzt sein, in die Oberfläche oder die Schaltung integriert sein oder Teil der Oberfläche der Schaltung 110 sein. Es kann ein Detektionselement 112 vorhanden sein oder es können mehrere Detektionselemente 112 vorhanden sein, wie es beispielsweise in 2 gezeigt ist. Das Detektionselement 112 kann als eine Elektrode oder eine Spulenstruktur ausgeführt sein.
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Dem Detektionselement 112 gegenüberliegende und beabstandet zu dem Detektionselement 112 ist ein Referenzelement 114, beispielsweise in Form einer Elektrode angeordnet. Das Referenzelement 114 erstreckt sich zumindest teilweise über die Schaltung 110. Das Referenzelement 114 ist starr mit dem Hauptkörper der Leiterplatte 102 verbunden.
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Das Detektionselement 112, die Schaltung 110 und das Schwingelement 108 sind starr miteinander verbunden und können aufgrund der beweglichen Verbindung über das Federelement 106 eine gemeinsame Relativbewegung gegenüber dem Hauptkörper der Leiterplatte 102 ausführen. Eine solche Relativbewegung führt zu einer Änderung eines Abstands zwischen dem Detektionselement 112 und dem Referenzelement 114.
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Die Schaltung 110 ist mit dem Detektionselement 112 über eine elektrische Leitung verbunden. Optional ist die Schaltung 110 über eine weitere elektrische Leitung mit dem Referenzelement 114 verbunden. Die Schaltung 110 ist ausgebildet, um zumindest das Detektionselement 112 mit einem Auswertesignal zu beaufschlagen und eine Veränderung des Auswertesignals oder ein durch das Auswertesignal hervorgerufenes Reaktionssignal auszuwerten. Beispielsweise kann die Schaltung 110 ausgebildet sein, um als Auswertesignal eine Spannung an das Detektionselement 112 anzulegen oder einen Strom durch das Detektionselement 112 zu leiten. Die Veränderung des Auswertesignals kann beispielsweise eine Spannungsänderung sein. Bei dem Reaktionssignal kann es sich beispielsweise um eine zwischen dem Detektionselement 112 und dem Referenzelement 114 anliegende Spannung oder einen durch das Detektionselement 12 fließenden Strom handeln. Die Schaltung 110 ist ausgebildet, um die Veränderung des Auswertesignals oder das Reaktionssignal auszuwerten und basierend darauf den Abstand oder eine Abstandsänderung zwischen dem Detektionselement 112 und dem Referenzelement 114 zu ermitteln oder eine auf den Beschleunigungssensor einwirkende oder eingewirkte Beschleunigung zu ermitteln. Dazu können geeignete Auswerteverfahren eingesetzt werden. Beispielsweise können das Detektionselement 112 und das Referenzelement 114 eine Kapazität bilden und die Schaltung 110 kann ausgebildet sein, um eine von dem Abstand zwischen dem Detektionselement 112 und dem Referenzelement 114 abhängigen Kapazitätswert der Kapazität auszuwerten. Alternativ kann das Detektionselement 112 geeignet sein, um einen Wirbelstrom in dem Referenzelement 114 zu erzeugen und einen durch den Wirbelstrom hervorgerufenen Effekt, beispielsweise ein Magnetfeld oder einen induzierten Strom zu erfassen, wobei der Wirbelstrom und der durch den Wirbelstrom hervorgerufene Effekt von dem Abstand zwischen dem Detektionselement 112 und dem Referenzelement 114 abhängig sind. Die Schaltung 110 ist ausgebildet, um eine Information über den Abstand oder die Abstandsänderung zwischen dem Detektionselement 112 und dem Referenzelement 114 auszugeben. Alternativ kann die Schaltung 110 ausgebildet sein, um basierend auf der Veränderung des Auswertesignals oder dem Reaktionssignal oder basierend auf dem Abstand oder der Abstandsänderung die Beschleunigung zu ermitteln, die auf den Beschleunigungssensor gewirkt hat. In diesem Fall kann die Schaltung 110 ausgebildet sein, um eine Information über die ermittelte Beschleunigung auszugeben.
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Die Schaltung 110 kann über das Federelement 106 geführte Leitungen mit dem Hauptkörper der Leiterplatte 102 verbunden sein. Über solche Leitungen kann beispielsweise eine Datenübertragung sowie eine Energieversorgung erfolgen. Die Leitungen können über eine oder mehrere elektrisch leitfähige Schichten der Leiterplatte 102 geführt sein. Zwei elektrisch leitfähige Schichten können dabei durch eine elektrisch isolierende Schicht, beispielsweise aus Kunststoff oder Harz voneinander beabstandet sein. Die Leiterplatte 102 kann somit durch einen Stapel aus elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Schichten aufgebaut sein, von denen alle oder ein Teil zur Ausbildung der Federstruktur verwendet werden.
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Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Beschleunigungssensor ein Gehäuse 116 auf, das auf dem Hauptkörper der Leiterplatte 102 aufsetzt und die Federstruktur samt der Schaltung 110 mit dem Detektionselement 112 umschließt. Das Referenzelement 114 ist an einer dem Detektionselement 112 gegenüberliegenden Innenfläche des Gehäuses 116 angeordnet.
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Ein sich zwischen dem Detektionselement 112 und dem Referenzelement 114 befindlicher Innenraum kann mit der Aussparung 104 verbunden sein und mit einem Fluid, insbesondere einem Gas gefüllt oder leer sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Beschleunigungssensor ohne MEMS auf Basis von Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik hergestellt. Die Leiterplatte 102 ist als ein Printed Circuit Board und die Schaltung 110 als ein ASIC ausgeführt. Auf der Oberseite der Schaltung 110 befinden sich das zumindest eine Detektionselement 112 ausformende Detektionsstrukturen. Das Gehäuse 112 ist durch eine Moldmasse oder einen Deckel gebildet und das Referenzelement 114 ist als eine Deckelelektrode ausgeführt. In 1 ist eine Seitenansicht eines entsprechenden Gesamtaufbaus des Beschleunigungssensors gezeigt.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Referenzelement 114 auch am Boden der Aussparung 105, gegenüberliegend zu dem Schwingelement 108 angeordnet sein.
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2 zeigt eine Aufsicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um den anhand von 1 beschriebenen Beschleunigungssensor handeln.
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Der Beschleunigungssensor ist ohne Gehäuse und Referenzelement gezeigt, sodass die sich auf der Oberseite der Schaltung 110 befindlichen Detektionselemente 112 zu erkennen sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind vier Detektionselemente 112 vorhanden. Die vier Detektionselemente 112 sind jeweils an den Ecken eines gedachten Quadrats angeordnet. Die Detektionselemente 112 sind jeweils als eine planare Spule ausgebildet, durch die ein Wirbelstrom in dem Referenzelement induziert werden kann. Alternativ können die Detektionselemente 112 als planare, beispielsweise rechteckförmig oder runde Elektroden ausgeführt sein.
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Die Schaltung 110 ist rechteckig ausgeführt. Die Oberfläche des Schwingelements 108, auf der die Schaltung 110 angeordnet ist, ist in ihrer Größe an die Schaltung 110 angepasst. Das Schwingelement 108 ist rechteckig ausgeführt und weist einen über eine von der Schaltung 110 abgedeckte Fläche überstehenden umlaufenden Rand auf. Das Federelement 106 ist als ein Steg ausgeführt, der abgewinkelt zwischen dem Schwingelement 108 und dem Hauptkörper der Leiterplatte 102 geführt ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Federelement 106 spiralförmig umlaufend um das Schwingelement 108 ausgeführt. Alternativ kann die Federstruktur auch zwei oder mehrere Federelemente 106 aufweisen, die beispielsweise jeweils als ein das Schwingelement 108 mit dem Hauptkörper der Leiterplatte verbindender Steg ausgeführt sind.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der in 2 gezeigte Beschleunigungssensor als ein 3-kanaliger Sensor mit Wirbelstrom-Detektion ausgeführt, wobei die Schaltung 110 in Form eines ASICs von oben gezeigt ist. Das Federelement 106 ist als Spiralfeder ausgeführt und die Detektionselemente 112 sind als Sendespulen ausgeführt.
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3 zeigt eine Aufsicht eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um den anhand von 2 beschriebenen Beschleunigungssensor handeln, wobei in 3 zusätzlich das Referenzelement 114 gezeigt ist. Es ist somit eine Aufsicht mit gegenüberliegender Detektionsstruktur gezeigt. Das Referenzelement 114 ist rechteckig, hier quadratisch ausgeführt. Das Referenzelement 114 ist mittig in Bezug auf die Anordnung aus den vier Detektionselementen 112 angeordnet. Das Referenzelement 114 weist eine Fläche auf, die kleiner als eine von den vier Detektionselementen 112 eingenommene Fläche auf der Schaltung 110 ist.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Schaltung 110 ausgebildet, um Beschleunigungen bzw. durch die Beschleunigungen hervorgerufene Relativbewegungen oder Auslenkungen zwischen den Detektionselementen 112 und dem Referenzelement in zwei Richtungen 321, 322 zu erfassen, die orthogonal zueinander stehen und parallel zu einer Ebene ausgerichtet sind, in der die Detektionselemente 112 angeordnet sind. Zusätzlich oder alternativ kann die Schaltung 110 ausgebildet sein, um eine weitere Beschleunigungen bzw. eine durch die weitere Beschleunigung hervorgerufene Relativbewegung oder Auslenkung zwischen den Detektionselementen 112 und dem Referenzelement in eine weitere Richtung zu erfassen, die orthogonal zu den Richtungen 321, 322 steht.
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Anhand der vorangegangenen Figuren werden im Folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
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Der gezeigte Sensor besteht aus einem Substrat aus einer Leiterplatte 102. Dieses Substrat der Leiterplatte 102 kann strukturiert werden, sodass in diesem eine Federstruktur 106, 108 mit einer unterliegenden Kavität 104 entsteht. Die elektrischen Zuleitungen der Schaltung 110 können über von der Aussparung 104 ausgenommene, verbleibende Stege 106 der Federstruktur geführt werden. Da im Allgemeinen mehrlagige Leiterplatten 102 möglich sind, können alle benötigten Verbindungen hergestellt werden, also Verbindungen für eine Betriebsspannung (VDD), Masse (GND) sowie Daten. Die Schaltung 110 in Form einer Auswerteschaltung kann auf dem Schwingelement 108 in Form einer inneren Struktur platziert werden. Die Verbindung der Schaltung 110 mit den elektrischen Zuleitungen kann über Durchkontakte oder Bonddrähte hergestellt werden. Das Feder-Masse-System 106, 108, 110, 112 wird verschlossen durch eine Kappe 116, z. B. aus Moldmasse oder anderem Material und mit dem äußeren, festen Bereich der Leiterplatte 102 auf geeignete Weise verbunden. In den Deckel 116 kann ein Referenzelement 114 in Form einer weiteren Elektrode eingebracht werden, die je nach Auswerteverfahren mit der Leiterplatte 102 bzw. der Schaltung 110, beispielsweise in Form eines ASICs ebenfalls verbunden wird. Bei Auswertung mit einem Wirbelstrom-basierten Verfahren kann die elektrische Verbindung zu dem Referenzelement 114 entfallen.
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Die Detektionsstrukturen 112 auf der Schaltung 110 können direkt auf der Oberseite aus einem CMOS Metallstapel erzeugt werden, aus dem die Schaltung 110 aufgebaut ist. Die Detektionsstrukturen 112 können einfach flächige Elektroden sein für eine kapazitive Auswertung oder in Form einer Spule für ein Wirbelstrom-basiertes Auswerteverfahren.
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Bei geeignetem Design der Federstrukturen 106, 108 in der Leiterplatte 102 kann auch ein dreiachsiger Beschleunigungssensor realisiert werden. Hierfür kann das Federelement 106, das eine Feder 106 bildet, beispielsweise als Spiralfeder ausgeführt werden, sodass sich das Feder-Masse System 106, 108, 110, 112 unter der feststehenden Detektionselektrode 114 bewegen kann. Wird zusätzlich die zur kapazitiven oder zur wirbelstrombasierten Erfassung geeignete Detektionsstruktur 112 auf der Schaltung 110 in vier Segmente aufgeteilt, so kann durch Differenzbildung sowohl die laterale als auch, durch Auswertung des Summensignals, vertikale Bewegung erfasst werden.
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Der vorgeschlagene Sensor kann für Anwendungen mit geringen Anforderungen an das Beschleunigungssensorelement zum Einsatz kommen, im Wesentlichen für ein Oben/Unten Erkennung, wofür ein typischer MEMS Beschleunigungssensor „zuviel" Performance bietet bzw. zu teuer ist. Denkbare Anwendungsgebiete des Beschleunigungssensors sind hier z. B. Klappen oder Deckel an Haushaltsgeräten, Prozessüberwachung, z. B. Paketversand, „nicht kippen", oder reine Portrait/Landscape Erkennung in Kameras/Mobiltelefonen.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Beschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann es sich um einen Beschleunigungssensor handeln, wie er im vorhergehenden beschrieben wurde.
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In einem Schritt 441 wird eine Leiterplatte mit einer eine Federstruktur freistellenden Aussparung bereitgestellt, wie sie im vorangegangenen bereits beschrieben wurde. In einem Schritt 443 wird eine elektrische Schaltung bereitgestellt, wie sie im vorangegangenen bereits beschrieben wurde. In einem Schritt 445 wird die elektrische Schaltung auf dem Schwingelement der Federstruktur der Leiterplatte befestigt. In einem Schritt 447 wird ein Referenzelement starr mit der Leiterplatte verbunden, sodass das Referenzelement beabstandet und gegenüberliegend zu dem zumindest einen Detektionselement der elektrischen Schaltung angeordnet ist.
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Auch wenn anhand der Ausführungsbeispiele eine starre Anordnung des Referenzelements und eine bewegliche Anordnung des Detektionselements auf dem Schwingelement beschrieben ist, so kann die Anordnung auch umgekehrt ausgeführt werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
