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Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Sensorvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Sensorvorrichtung.
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Stand der Technik
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In der Inertialsensorik, beispielsweise der Drehraten- und Beschleunigungssensorik werden bewegliche Strukturen verwendet, um Messgrößen (z.B. Drehrate und Beschleunigung) in eine Auslenkung von seismischen Massen zu übersetzen. Derartige Sensoren werden unter anderem in der Silizium-Mikromechanik gefertigt.
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Mikromechanische Herstellungsprozesse umfassen unter anderem eine Abfolge von Abscheide- sowie Strukturierungsschritten. Letztere werden als Ätz- oder Trenchprozess bezeichnet. Die erwähnten beweglichen Strukturen benötigen eine gewisse Bewegungsfreiheit, um eine optimale Sensierung der Messgröße zu ermöglichen. Andererseits dürfen diese Strukturen nicht zu weit ausgelenkt werden, um Beschädigungen oder ein nichtlineares Verhalten zu vermeiden.
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Zu einer Begrenzung der Auslenkung werden so genannte Anschlagsstrukturen verwendet, deren Aufgabe es ist, eine Beschädigung der Nutzstruktur bei mechanischer Überlast, zum Beispiel durch externe Störbeschleunigung sowie bei Schnapp- oder Kollapsvorgängen durch elektrische Überspannung zu verhindern.
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Im Stand der Technik sind statische oder federnde Anschläge bekannt, die diese Aufgabe mehr oder weniger erfüllen.
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Allerdings kommt es trotz des Einsatzes von Anschlagsstrukturen sowohl bei Drehraten- als auch bei Beschleunigungssensoren immer wieder zu Problemen aufgrund von freiwerdenden Partikeln aufgrund des Anschlags.
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Insbesondere bei Beschleunigungssensoren kommt es trotz dieser Strukturen auch zum so genannten Kleben, was bedeutet, dass sich die bewegliche Struktur nach einem Aufprallvorgang mechanisch gar nicht mehr oder nur verzögert löst. Es gibt mehrere Ursachen und Mechanismen für diese Klebeproblematik. Bei zumindest einem dieser Mechanismen spielt die Aufprallgeschwindigkeit eine dominierende Rolle, das heißt, je höher die Geschwindigkeit im Aufprall, desto höher ist die Klebewahrscheinlichkeit.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte mikromechanische Sensorvorrichtung bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer mikromechanischen Sensorvorrichtung, aufweisend:
- – wenigstens ein bewegliches Erfassungselement; und
- – eine Anschlagseinrichtung für das Erfassungselement, wobei die Anschlagseinrichtung mechanisch und elektrisch mit dem Erfassungselement verbunden ist, wobei die Anschlagseinrichtung derart ausgebildet ist, dass im Falle einer Bewegung des Erfassungselements ein Anschlagsbereich der Anschlagseinrichtung in entgegengesetzter Richtung zum Erfassungselement bewegt wird.
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Dies verhindert, dass ein Teil des Sensors eine zu hohe kinetische Energie aufbauen kann, mit dem Ergebnis, dass die kinetische Energie beim Aufprall minimiert ist, wodurch in vorteilhafter Weise Kollaps- od. Schnappzuständen bzw. anderweitige Schädigungen oder Zerstörungen der Sensorvorrichtungen im Wesentlichen vermieden werden. Durch die elektrische Verbindung des Erfassungselements mit der Anschlagseinrichtung liegen die genannten Elemente auf demselben elektrischen Potential, sodass zwischen ihnen keine Ströme fließen bzw. Kräfte wirken können, wodurch in vorteilhafter Weise z.B. Verschweißungen vermieden werden können.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben einer mikromechanischen Sensorvorrichtung, aufweisend die Schritte:
- – Bewegen eines Erfassungselements der Sensorvorrichtung;
wobei mittels einer Hebeleinrichtung einer Anschlagseinrichtung die Anschlagseinrichtung in entgegengesetzter Richtung zum Erfassungselement bewegt wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorvorrichtung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der mikromechanischen Sensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Anschlagseinrichtung eine Hebeleinrichtung umfasst, wobei ein Angelpunkt der Hebeleinrichtung mittels einer Befestigungseinrichtung fixiert ist, wobei die Hebeleinrichtung mit dem Erfassungselement verbunden ist. Mittels der Hebeleinrichtung wird ein Umlenkmechanismus realisiert, der die entgegengesetzten Bewegungen des Erfassungselements und der Anschlagseinrichtung auf einfache Weise realisiert.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass Arme der Hebeleinrichtung im Wesentlichen gleich lang oder unterschiedlich lang ausgebildet sind. Auf diese Weise kann die gesamte Struktur mehr oder weniger empfindlich gemacht werden, bzw. kann ein Übersetzungsverhältnis für die Bewegungen des Erfassungselements und der Anschlagseinrichtung eingestellt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass jeweils eine Anschlagseinrichtung an einer Seite des Erfassungselements angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein symmetrischer Aufbau der Anschlagseinrichtung realisiert, wodurch in vorteilhafter Weise eine Anschlagsenergie gleichmäßig verteilt bzw. minimiert werden kann.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der mikromechanischen Sensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Befestigungseinrichtung auf Zug oder auf Druck belastbar ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft unterschiedliche Möglichkeiten für die Ausbildung und Anordnung der Befestigungseinrichtung bereitgestellt, wodurch räumliche Verhältnisse innerhalb der Sensorvorrichtung bestmöglich ausgenützt werden können.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hebeleinrichtung in Relation zur Befestigungseinrichtung stark dimensioniert ist und zum Erfassungselement hin einen schwächer dimensionierten Übergangsbereich aufweist. Auf diese Art und Weise wird ein relativ steifer Umlenkmechanismus realisiert, der aufgrund des schwächer dimensionierten Übergangsbereichs aber trotzdem auslenkbar ist. Mit dem Übergangsbereich wird somit eine Art Scharniergelenk ausgebildet, welches die mechanische und elektrische Ankopplung an das Erfassungselement bewirkt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Anschlagsbereich eine nichtplanare Oberfläche aufweist. Auf diese Weise wird ein sanftes und materialschonendes Anschlagen des Erfassungselements auf der Anschlagseinrichtung ermöglicht, weil eine Lastverteilung auf eine größere Fläche bewirkt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von mehreren Figuren mit weiteren Merkmalen und Vorteilen 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. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen, irgendwelche Größenordnungen oder Abmessungen können den Figuren deshalb nicht entnommen werden. Gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente haben dieselben Bezugszeichen.
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In den Figuren zeigt:
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1a eine prinzipielle Darstellung eines Plattenkondensators zur Erläuterung des Schnappeffekts;
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1b drei Kraft-Weg-Kennlinien für verschiedene elektrische Spannungen zur Erläuterung des Schnappeffekts des Kondensators von 1a;
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2a eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorvorrichtung in unausgelenktem Zustand;
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2b die mikromechanische Sensorvorrichtung von 2a in ausgelenktem Zustand;
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3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorvorrichtung; und
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4 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a zeigt in einer prinzipiellen Darstellung einen Plattenkondensator mit zwei Elektroden, der an eine elektrische Spannungsquelle V angeschlossen ist. Die durch das elektrische Feld auf die Elektroden des Plattenkondensators wirkenden Kräfte sind mittels Pfeilen angedeutet. Eine der Elektroden des Kondensators ist feststehend und eine zweite Elektrode des Kondensators ist federnd aufgehängt und dadurch beweglich.
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1b zeigt eine Kraft-Weg-Kennlinie für verschiedene an den Kondensator von 1a angelegte elektrische Spannungen U1, U2 und U3. Auf der x-Achse ist ein Auslenkzustand der oberen Elektrode des Plattenkondensators und auf der y-Achse eine dimensionslose Darstellung der Kraft zwischen den Elektroden aufgetragen. Der Wert 1 auf der x-Achse entspricht dem Auslenkzustand des Kondensators in einer Ruhelage.
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Ungefähr beim Wert 0,7 (angedeutet durch einen Doppelpfeil) auf der x-Achse ist die obere Elektrode um ca. 30 % nach unten gezogen worden, wodurch der Plattenkondensator einen stabilen Zustand einnimmt. Wenn nunmehr die angelegte elektrische Spannung weiter erhöht wird, wird im Fall von U2 bei ca. 0,35 ein Wendepunkt erreicht, bei dem eine Kraft auf die obere Elektrode das Vorzeichen wechselt, wodurch die obere Elektrode nach unten gezogen wird. In diesem Falle kollabiert bzw. schnappt das Gesamtsystem, was zur Folge hat, dass die obere Elektrode des Plattenkondensators ab diesem Zeitpunkt mittels der Feder nicht mehr nach oben gezogen werden kann. In diesem Zustand kann es zu unerwünschten ungünstigen Nebeneffekten, wie z.B. zu einer elektrischen Verschweißung, Materialabschmelzung, Kleben, usw. kommen.
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U3 ist die so genannte elektrische „Schnappspannung“, bei der die Elektroden des Plattenkondensators schnappen und bei der der Plattenkondensator niemals einen stabilen Zustand einnehmen kann. Der Startvorgang beginnt, wenn ca. ein Drittel des Spalts des Plattenkondensators durchlaufen ist. Bei U1 und U2 würde die Struktur nur dann schnappen, wenn zum Beispiel durch eine externe Störbeschleunigung bereits eine Auslenkung größer ca. 70 % bzw. größer ca. 80 % verursacht wurde, weil in diesem Fall die Kraft zwischen den Elektroden negativ, also nach unten gerichtet wird.
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2a zeigt eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorvorrichtung 100. Ein bewegliches Erfassungselement 20 der Sensorvorrichtung 100 ist federnd aufgehängt. Vier Festelektroden 21, 22, 23, 24 sind zu insgesamt zwei Kondensatoren (nicht dargestellt) elektrisch verschaltet (z.B. die Festelektroden 21 und 23 sowie die Festelektroden 22 und 24), wobei bei einer Auslenkung des Erfassungselements 20 Kapazitätswerte der Kondensatoren mittels einer Differentialauswerteschaltung (z.B. ein ASIC, nicht dargestellt) ausgewertet werden. Die Anzahl zwei der Kondensatoren ist dabei lediglich beispielhaft, wobei es selbstverständlich auch nur einer oder mehrere Kondensatoren sein könnten. Man erkennt, dass eine Auslenkung zwischen den Festelektroden 21, 22, 23 und 24 und dem Erfassungselement 20 jeweils d0 beträgt. Dasselbe Ausmaß der Auslenkung ist zwischen einem Anschlagsbereich 11 der Anschlageinrichtung 10 und dem Erfassungselement 20 erkennbar.
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2a zeigt die gesamte Struktur in einem unausgelenkten Ruhezustand. Die Anschlagseinrichtung 10 ist mit dem Erfassungselement 20 mechanisch und elektrisch verbunden, und mittels einer länglich ausgebildeten Befestigungseinrichtung 12 (z.B. aus Silizium) extern befestigt. Jeweils eine Anschlagseinrichtung 10 ist an einer Seite des beweglichen Erfassungselements 20 angeordnet und umgibt dieses klammer- bzw. ankerartig. Die Anschlagseinrichtung 10 umfasst eine Hebeleinrichtung mit Hebelarmen 10a, 10b, wodurch ein Angelpunkt 13 gebildet wird, an dem die Anschlagseinrichtung 10 mittels der Befestigungseinrichtung 12 fixiert ist. Mittels der als eine Festaufhängung ausgebildeten Befestigungseinrichtung 12 wird dafür sorgt, dass die Anschlagseinrichtung 10 über einen Umlenkmechanismus jeweils in die Gegenrichtung zum Erfassungselement 20 gezogen wird.
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Durch eine Dimensionierung von Längen L1, L2 der Hebelarme 10a, 10b kann man eine Hebelwirkung bzw. ein Übersetzungsverhältnis der Hebeleinrichtung der Anschlagseinrichtung 10 zwischen Bewegung der Masse und Gegenbewegung des dynamischen Anschlags, und damit der effektiv wirksame Anschlagsabstand, fast beliebig einstellen und auf einfache Weise dimensionieren.
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Im Folgenden wird anhand von 2b eine prinzipielle Wirkungsweise der Anschlagseinrichtung 10 näher erläutert. Man erkennt, dass das bewegliche Erfassungselement 20 im Vergleich mit 2a durch eine Kraft nach unten ausgelenkt wurde. Daraus resultierend hat sich zwischen den Festelektroden 21, 22, 23, 24 und dem Erfassungselement 20 eine Spaltbreite d1 eingestellt, die kleiner ist als die Spaltbreite d0. Ferner wird als Folge die Anschlagseinrichtung 10 derart verformt, dass der Anschlagsbereich 11 der Anschlagseinrichtung 10 mittels des Umlenkmechanismus der Hebeleinrichtung nach oben bewegt wird. Somit wird zwischen dem Erfassungselement 20 und der Anschlagseinrichtung 10 eine Spaltbreite d2 erreicht, die ungefähr Null beträgt. Auf diese Weise wird beim Aufprallen des beweglichen Erfassungselements 20 auf den Anschlagsbereich 11 die kinetische Energie des beweglichen Elements 20 deutlich verringert, bzw. ein Anschlagen des beweglichen Erfassungselements 20 auf den Anschlagsbereich 11 sanfter ausgeführt. Daraus resultieren vorteilhaft geringere Ablösungen von Materialpartikeln.
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In der Anordnung von 2b wäre für den Fall L1 = L2 der Anschlag nach Durchlaufen von ca. 50% des Spalts d0 erreicht, was bedeutet, wenn die ursprüngliche Spaltbreite 1 µm beträgt, würde der Anschlag nach 500 nm Auslenkung wirken. Im Prinzip können aber auch nur eine einzige Anschlagseinrichtung 10 oder mehr als zwei Anschlagseinrichtungen 10 verwendet werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 100 in der vorgesehen ist, dass die Befestigungseinrichtung 12 auf Druck belastbar ist. Dies kann insbesondere dann von Nutzen sein, wenn räumliche Verhältnisse oberhalb der Anschlagseinrichtung 10 begrenzt sind. Ferner ist erkennbar, dass in dieser Ausführungsform der Hebelbereich der Anschlagseinrichtung 10 relativ stark dimensioniert ist, wobei ein Übergangsbereich an das bewegliche Erfassungselement 20 als eine Art Scharnier relativ dünn dimensioniert ist. Auf diese Weise kann eine Beweglichkeit der Hebelstruktur der Anschlagseinrichtung 10 gegenüber dem Erfassungselement 20 nach wie vor gewährleistet sein.
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Ferner kann auch vorgesehen sein, dass der Anschlagsbereich 11 abgerundet oder sonst wie mit einer verkleinerten Kontaktfläche gegen das Erfassungselement 20 ausgebildet ist. Dies unterstützt in vorteilhafter Weise eine Lastverteilung des Erfassungselements 20 auf einer geringfügig vergrößerten Fläche des Anschlagsbereichs 11 der Anschlagseinrichtung 10.
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Es ist natürlich auch denkbar, alle oder nur einzelne der Merkmale der Anschlagseinrichtung 10 von 3 in der Ausführungsform der 2a und 2b zu realisieren.
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Aufgrund der Tatsache, dass bei Beschleunigungssensoren meist nur ca. 20 % des Elektrodenspalts bzw. -gaps als Auswertebereich genutzt werden, wobei dieser Wert bei Drehratensensoren noch deutlich geringer sein kann, können diesen Wert übersteigende Bewegungen ausgewertet werden. Diese können aber nach dem Stand der Technik bisher nicht verhindert werden und führen im schlimmsten Fall zu Schnappvorgängen, Kleben, Beschädigungen oder zu anderen unerwünschten Effekten.
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4 zeigt in prinzipieller Weise ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt S1 wird ein Bewegen eines Erfassungselements 20 der Sensorvorrichtung 100 durchgeführt. In einem Schritt S2 wird mittels einer Hebeleinrichtung einer Anschlagseinrichtung 10 die Anschlagseinrichtung 10 in entgegengesetzter Richtung zum Erfassungselement 20 bewegt.
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Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung eine mikromechanische Sensorvorrichtung bereitgestellt, die es ermöglicht, mechanische Anschläge mit deutlich kleineren Abständen wirksam verfügbar zu machen, als dies durch technologisch minimal mögliche Abstandsregeln für statische Anschlagsstrukturen möglich wäre. Vorteilhaft ist es mittels der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung möglich, dynamische Anschläge knapp über dem Nutzbereich wirksam einzustellen. Somit stellt die Erfindung eine spezifische Realisierung einer Anschlagsstruktur in einer mikromechanischen Sensorvorrichtung dar, mit deren Hilfe es möglich ist, eine Anschlagsenergie auf die Anschlagsstruktur zu minimieren.
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Dabei ist es vorgesehen, ohne zusätzliche, unter Umständen platzaufwendige Verdrahtungsmaßnahmen, dass die Anschlagsstruktur auf dem gleichen elektrischen Potential angeschlossen ist wie die zu schützende Struktur.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zu schützende bewegliche Masse durch ihre Bewegung einen Umlenkmechanismus aktiviert, der die Anschlagsstruktur dynamisch auf die bewegliche Masse zu bewegt. Es kommt auf diese Art und Weise bereits nach relativ kleinen Auslenkungen zu einem mechanischen Anschlagen, wodurch die bewegliche Masse deutlich weniger Geschwindigkeit und dadurch kinetische Energie aufnehmen kann, als es der Fall wäre, wenn der Anschlag erst in großem Abstand erfolgen würde.
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Vorteilhaft ist auf diese Art und Weise eine zerstörerische Kraft des Aufpralls und somit die Gefahr von Partikelbildung infolge von z.B. Absplitterung reduziert. Der Unterschied zwischen Schnapp-(engl. snap) und Loslass-(engl. release) Spannung kann vorteilhaft verringert sein, so dass auch das so genannte „elektrische clamping“ schwächer ausgebildet ist. Beim genannten elektrischen clamping bleibt eine Struktur auch dann noch im geschnappten Zustand, wenn die anliegende elektrische Spannung bereits wieder unter der eigentlichen Schnappspannung, aber noch über der Loslass-Spannung liegt. Im Ergebnis bewirkt dies vorteilhaft, dass bei der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ein Schnappzustand nach einer Verringerung der elektrischen Spannung vorteilhaft schneller wieder lösbar ist.
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Ebenso kann durch die verringerte Aufprallgeschwindigkeit in vorteilhafter Weise die erwähnte Klebeneigung reduziert sein.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass bereits geschnappte bzw. kollabierte Strukturen – unabhängig von der Ursache des Schnappens – nach dem Anschlagen aufgrund des nur kurzen Anschlagweges sowie geringeren Clamping-Effekts schneller wieder für eine sinnvolle Signalauswertung zur Verfügung stehen.
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Vorteilhaft resultiert daraus eine Verringerung von Messzeiten, was eine Optimierung von Mess- bzw. Testreihen in Fertigungsprozessen zur Folge hat und dadurch Kosten spart. Weiterhin resultiert daraus eine verlängerte Betriebsdauer der Sensorvorrichtung.
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Der Fachmann wird die beschriebenen Merkmale miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
