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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Inertialsensor und einem Verfahren zum Betrieb eines Inertialsensors nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
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Solche Inertialsensoren sind allgemein bekannt. Beispielsweise wird bei den bekannten Inertialsensoren zur Detektion einer Translationsbewegung und/oder Rotationsbewegung ein kapazitives Auswerteprinzip verwendet. Dabei wird eine bewegliche Masse, die eine Elektrodenstruktur aufweist, derart ausgelenkt, dass die bewegliche Masse relativ zu einer mit einem Substrat des Inertialsensors ortsfest verbundenen Festelektrodenstruktur bewegt wird. Die Auslenkung führt zu einem sich ändernden Spaltabstand zwischen einer Elektrode der Elektrodenstruktur und einer Gegenelektrode der Gegenelektrodenstruktur, sodass sich eine detektierbare Kapazitätsänderung ergibt. Bei einem mit einer Drehrate beaufschlagten Drehratensensor wird die Auslenkung durch eine auf die bewegliche Masse wirkende Corioliskraft hervorgerufen, während die bewegliche Masse zu einer Antriebsschwingung angetrieben wird. Durch die Corioliskraft wird somit eine Detektionsmode angeregt. Typischerweise wird die mechanische Resonanzfrequenz der Detektionsmode derart vorgegeben, dass die Resonanzfrequenz der Detektionsmode auch auf Grund von Parameterstreuungen im Herstellungsprozess stets größer ist, als die zur Erzeugung der Antriebsschwingung der bewegliche Masse verwendetet Antriebsfrequenz.
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Zur elektrostatischen Abstimmung der mechanischen Resonanzfrequenz der Detektionsmode auf die Antriebsfrequenz ist eine vergleichsweise hohe elektrische Spannungen erforderlich, die durch eine Auswerteschaltung des Inertialsensors bereitgestellt werden muss. Weiterhin führt eine Abweichung zwischen Schwingungsfrequenz und Resonanzfrequenz bei der Detektion zusätzlich zu einer vergleichsweise niedrigen elektrischen Empfindlichkeit.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Inertialsensor und ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors bereitzustellen, wobei die elektrische Empfindlichkeit des Inertialsensors erhöht und/oder der Flächenbedarf des Inertialsensors bei einer gleichbleibenden elektrischen Empfindlichkeit reduziert wird.
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Der erfindungsgemäße Inertialsensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Inertialsensors gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die elektrische Empfindlichkeit, sowie die elektrostatischen Kräfte zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode durch die Kopplung der seismischen Masse mit der Detektionseinheit erhöht werden.
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Erfindungsgemäß ist der Inertialsensor insbesondere ein Drehratensensor und/oder ein Beschleunigungssensor. Insbesondere ist die seismische Masse entlang der X-Richtung auslenkbar – d.h. die seismische Masse wird entlang der X-Richtung zu einer Antriebsschwingung angetrieben oder die seismische Masse wird entlang der X-Richtung auf Grund einer Kraft auf die seismische Masse ausgelenkt. Die Kraft ist hier beispielsweise eine entlang der X-Richtung auf die seismische Masse wirkende Linearbeschleunigungskraft und/oder eine Corioliskraft, wobei im Fall einer Corioliskraft die seismische Masse entlang einer zur X-Richtung senkrechten Antriebsrichtung angetrieben wird. Zur Detektion einer Drehrate des Inertialsensors um eine Drehachse wird die seismische Masse beispielsweise entlang einer zur Drehachse senkrechten Antriebsrichtung zu einer Antriebsschwingung angetrieben, wobei die Drehachse hier beispielsweise parallel zu einer zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen senkrechten Z-Richtung oder parallel zu einer zur X-Richtung senkrechten und zur Haupterstreckungsebene parallelen Y-Richtung angeordnet ist. Zur Detektion einer Linearbeschleunigung entlang der X-Richtung wird die seismische Masse auf Grund der Beschleunigungswirkung entlang der X-Richtung ausgelenkt.
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Bei einem Drehratensensor wird mittels der sogenannten Mitkoppelelektroden die mechanische Resonanzfrequenz der Detektionsmode durch Anlegen einer Spannung elektrostatisch auf die Antriebsfrequenz abgestimmt. Hierdurch wird eine Amplitude eines in Abhängigkeit der Detektionsbewegung erzeugten Detektionssignals durch Resonanzüberhöhung vergrößert. Die hierzu erforderliche Mitkoppelspannung wird von einer Auswerteschaltung des Inertialsensors bereitgestellt. Erfindungsgemäß wird diese Spannung gegenüber Drehratensensoren gemäß dem Stand der Technik deutlich reduziert. Weiterhin wird auch der Flächenbedarf des Inertialsensors bei gleichbleibender Empfindlichkeit in vorteilhafter Weise reduziert. Erfindungsgemäß ist die Detektionseinheit insbesondere als Mittkoppelstruktur ausgebildet. Weiterhin wird insbesondere auch die Mitkoppelfähigkeit der Elektrode und der Gegenelektrode – beispielsweise wenn diese zur Resonanzabstimmung verwendet werden – erhöht.
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Insbesondere ist die Detektionseinheit zur kapazitiven Detektion einer Auslenkung der seismischen Masse in Abhängigkeit eines Abstands zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode konfiguriert – d.h. dass die Elektrode und die Gegenelektrode kapazitiv gekoppelt sind und/oder die Auslenkung der seismischen Masse hierbei entlang der X-Richtung erfolgt und/oder der Abstand sich im Wesentlichen entlang der X-Richtung entlang einer Verbindungslinie von der Elektrode in Richtung der Gegenelektrode erstreckt. Hier weist die Elektrode insbesondere eine sich hauptsächlich im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene erstreckende Elektrodenfläche und die Gegenelektrode eine sich hauptsächlich im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsebene erstreckende Gegenelektrodenfläche auf, wobei die Elektrodenfläche und die Gegenelektrodenfläche insbesondere parallel zueinander und/oder gegenüberliegend angeordnet sind, sodass die Elektrode und die Gegenelektrode insbesondere kapazitiv gekoppelt sind. Hier sind die Elektrode und die Gegenelektrode insbesondere jeweils als eine sich hauptsächlich im Wesentlichen parallel zur Y-Richtung erstreckende Balkenelektrode ausgebildet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koppeleinheit derart konfiguriert ist, dass durch eine Auslenkung der seismischen Masse in eine zur X-Richtung parallele erste Auslenkungsrichtung eine Auslenkung der Detektionseinheit in eine zur ersten Auslenkungsrichtung entgegengesetzt parallele zweite Auslenkungsrichtung bewirkt wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die elektrische Empfindlichkeit zu reduzieren. Hierbei weist der Inertialsensor zur Detektion der Auslenkung der seismischen Masse nicht lediglich eine bewegliche Elektrode und eine statische – d.h. fest mit dem Substrat verbundene – Gegenelektrode auf, sonder zwei bewegliche Elektroden – d.h. die Elektrode und die Gegenelektrode – die beide aufeinander zu und/oder voneinander weg bewegt werden. Die bewegliche Elektrode, die an der seismischen Masse bzw. Coriolismasse im Wesentlichen bewegungsfest angeordnet ist, aktiviert bei einer Auslenkung der seismischen Masse einen Umlenkmechanismus – d.h. eine Kopplungsbewegung – der Kopplungseinheit, wobei der Umlenkmechanismus dazu führt, dass die Gegenelektrode der Detektionseinheit auf die Elektrode der seismischen Masse zubewegt wird. Beispielsweise wird im einfachsten Fall bei einer Auslenkung der seismischen Masse um eine erste Wegstrecke der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode um eine zweite Wegstrecke verkleinert, wobei die zweite Wegstrecke insbesondere im Wesentlichen gleich der zweifachen ersten Wegstrecke ist. Hierbei wurde anhand dieses Beispiels festgestellt, dass die elektrische Empfindlichkeit sowie auch die elektrostatische Kraft verdoppelt und die Mittkoppelfähigkeit vervierfacht werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit ein aus einer ersten Funktionsschicht ausgebildetes Trägerelement, insbesondere eine Plattenelektrode, aufweist, wobei sich das Trägerelement hauptsächlich entlang einer zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen parallelen ersten Funktionsebene flächig erstreckt, wobei das Gegenelektrodenelement bewegungsfest, und insbesondere elektrisch leitfähig, mit dem Trägerelement verbunden ist, wobei die seismische Masse aus einer zweiten Funktionsschicht ausgebildet ist, wobei sich die seismische Masse hauptsächlich entlang einer zur Haupterstreckungsebene im Wesentlichen parallelen zweiten Funktionsebene flächig erstreckt, wobei die seismische Masse und das Trägerelement entlang einer zur Haupterstreckungsebene senkrechten weiteren Projektionsrichtung überlappend angeordnet sind, wobei insbesondere die erste Funktionsebene zwischen der Haupterstreckungsebene und der zweiten Funktionsebene angeordnet ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, den Flächenbedarf des Inertialsensors – d.h. die Erstreckung der Anordnung aus seismischer Masse und der Detektionseinheit – vergleichsweise gering zu halten und dennoch eine Erhöhung der Empfindlichkeit zu erreichen. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, durch die Anordnung der Detektionseinheit und der seismischen Masse übereinander – d.h. übereinander entlang der Z-Richtung von Substrat in Richtung der seismischen Masse – bei einer gleichbleibender Empfindlichkeit den Flächenbedarf zu reduzieren bzw. bei einem gleichbleibenden Flächenbedarf die Empfindlichkeit zu erhöhen. Insbesondere erstreckt sich die Koppeleinheit entlang einer zur Z-Richtung parallelen weiteren Projektionsrichtung entlang der ersten und zweiten Funktionsschicht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Elektrodenelement und das Gegenelektrodenelement im Wesentlichen in der zweiten Funktionsschicht angeordnet sind, wobei die seismische Masse eine sich entlang der weiteren Projektionsrichtung vollständig durch die seismische Masse hindurch erstreckende Ausnehmung aufweist, wobei das Gegenelektrodenelement zumindest teilweise oder vollständig in der Ausnehmung angeordnet ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, eine vergleichsweise geringe Erstreckung des Inertialsensors entlang der Z-Richtung zu realisieren und das verfügbare Volumen möglichst effizient zu nutzen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koppeleinheit ein mit der seismischen Masse federelastisch gekoppeltes erstes Koppelelement und ein mit dem ersten Koppelelement federelastisch gekoppeltes zweites Koppelelement aufweist, wobei das zweite Koppelelement federelastisch mit der Detektionseinheit gekoppelt ist, wobei das erste Koppelelement um eine erste Schwenkachse drehbar auf dem Substrat befestigt ist, wobei das zweite Koppelelement um eine zweite Schwenkachse drehbar auf dem Substrat befestigt ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, den Umlenkmechanismus durch eine Bewegung der seismischen Masse entlang der Auslenkungsrichtung derart zu aktivieren, dass die Detektionseinheit entgegengesetzt parallel zur seismischen Masse ausgelenkt wird, wobei insbesondere die Auslenkung der seismischen Masse in die erste Auslenkungsrichtung entlang der zweiten Funktionsebene erfolgt und die Auslenkung des Trägerelements der Detektionseinheit in die zweite Auslenkungsrichtung entlang der ersten Funktionsebene erfolgt. Insbesondere wird das bewegungsfest mit dem Trägerelement befestigte Gegenelektrodenelement in der zweiten Funktionsebene in die zweite Auslenkungsrichtung zusammen mit dem Trägerelement ausgelenkt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Koppelelement einen mit der seismischen Masse federelastisch gekoppelten ersten Schenkel und einen mit dem ersten Schenkel im Bereich der ersten Schwenkachse bewegungsfest verbundenen zweiten Schenkel aufweist, wobei der erste Schenkel und der zweite Schenkel im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, und/oder wobei das zweite Koppelelement einen mit dem zweiten Schenkel federelastisch gekoppelten dritten Schenkel und einen mit dem dritten Schenkel im Bereich der zweiten Schwenkachse bewegungsfest verbundenen vierten Schenkel aufweist, wobei der dritte Schenkel und der vierte Schenkel im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei der dritte Schenkel und der vierte Schenkel insbesondere elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind, wobei der vierte Schenkel federelastisch mit der Detektionseinheit, insbesondere mit dem Trägerelement, verbunden ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, die Detektionseinheit elektrisch von der seismischen Masse zu isolieren, um die Elektrode und die Gegenelektrode mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagen zu können. Die Bewegung bzw. Auslenkung der seismischen Masse auf Grund einer Beschleunigungskraft oder Corioliskraft in die erste Auslenkungsrichtung wird durch den Umlenkmechanismus des Trägerelements bzw. der Plattenelektrode der Detektionseinheit in der ersten Funktionsebene, das Trägerelement zusammen mit der Gegenelektrode bzw. Balkenelektrode des Trägerelements in die zweite Auslenkungsrichtung – d.h. entgegengesetzt parallel bzw. antiparallel zur ersten Auslenkungsrichtung – ausgelenkt. Hierbei wird insbesondere der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode vergrößert und/oder verkleinert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Schenkel eine sich entlang einer ersten Haupterstreckungsrichtung erstreckende erste Schenkellänge aufweist und der zweite Schenkel eine sich entlang einer zweiten Haupterstreckungsrichtung erstreckende zweite Schenkellänge aufweist, wobei die erste Schenkellänge im Wesentlichen gleich oder ungleich der zweiten Schenkellänge ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zu realisieren, wobei die Empfindlichkeit des Inertialsensors bzw. der Gesamtstruktur hierdurch nahezu beliebig bzw. quasi-stufenlos einstellbar ist. Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Schenkellängen 1:1.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit ein bewegungsfest mit der Detektionseinheit verbundenes weiteres Gegenelektrodenelement aufweist, wobei das Elektrodenelement und das weitere Gegenelektrodenelement entlang einer zur X-Richtung parallelen Projektionsrichtung überlappend angeordnet sind, wobei die Detektionseinheit zur kapazitiven Detektion einer Auslenkung der seismischen Masse in Abhängigkeit eines weiteren Abstands zwischen der Elektrode und der weiteren Gegenelektrode konfiguriert ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, zwei separate elektrisch isolierte bzw. galvanisch getrennte Bereiche der Detektionseinheit zu realisieren, wobei die Gegenelektrode und die weitere Gegenelektrode mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen beaufschlagt werden. Hierdurch wird insbesondere vorteilhaft eine differentielle kapazitive Detektion der Auslenkung der seismischen Masse ermöglicht. Weiterhin ist der Inertialsensor insbesondere derart konfiguriert, dass die Gegenelektrode und/oder die weitere Gegenelektrode zur kapazitiven Detektion einer Auslenkung der seismischen Masse und/oder einer Krafteinspeisung zur Erzeugung einer Antriebsschwingung der seismischen Masse und/oder zur Mitkopplung verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Detektionseinheit ein aus der ersten Funktionsschicht ausgebildetes weiteres Trägerelement, insbesondere eine weitere Plattenelektrode, aufweist, wobei sich das weitere Trägerelement hauptsächlich entlang der ersten Funktionsebene flächig erstreckt, wobei das weitere Gegenelektrodenelement bewegungsfest, und insbesondere elektrisch leitfähig, mit dem weitere Trägerelement verbunden ist, wobei das Trägerelement und das weitere Trägerelement elektrisch isoliert voneinander und entlang der weiteren Projektionsrichtung nebeneinander angeordnet sind. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, differentielle kapazitive Detektion der Auslenkung der seismischen Masse zu realisieren. Weiterhin ist der Inertialsensor insbesondere derart konfiguriert, dass die Gegenelektrode und/oder die weitere Gegenelektrode zur kapazitiven Detektion einer Auslenkung der seismischen Masse und/oder einer Krafteinspeisung zur Erzeugung einer Antriebsschwingung der seismischen Masse und/oder zur Mitkopplung verwendet werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäße Verfahrens ist vorgesehen in dem zweiten Betriebsschritt in Abhängigkeit der Auslenkung der seismischen Masse entlang der ersten Auslenkungsrichtung ein mit der seismischen Masse federelastisch gekoppeltes erstes Koppelelement der Koppeleinheit um eine zur Haupterstreckungsebene senkrechte erste Schwenkachse verschwenkt wird, wobei insbesondere das erste Koppelelement um die erste Schwenkachse drehbar auf dem Substrat befestigt ist, wobei in Abhängigkeit der Schenkbewegung des ersten Koppelelements um die erste Schwenkachse ein mit dem ersten Koppelelement federelastisch gekoppeltes zweites Koppelelement um eine zur ersten Schwenkachse parallele zweite Schwenkachse verschwenkt wird, wobei insbesondere das zweite Koppelelement um die zweite Schwenkachse drehbar auf dem Substrat befestigt ist, wobei in dem dritten Betriebsschritt in Abhängigkeit der Schwenkbewegung des zweiten Koppelelement um die zweite Schwenkachse die mit dem zweiten Koppelelement federelastisch gekoppelte Detektionseinheit entlang der zweiten Auslenkungsrichtung ausgelenkt wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, auf besonders effiziente und platzsparende Weise eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Inertialsensors zu erzielen, sodass die Einsatzmöglichkeiten des Inertialsensors erweitert werden können. Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, neben der elektrischen Empfindlichkeit auch die zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode wirkende elektrostatische Kraft, sowie die Mitkoppelfähigkeit zu erhöhen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäße Verfahrens ist vorgesehen, dass die seismische Masse ein bewegungsfest mit der seismischen Masse verbundenes Elektrodenelement und die Detektionseinheit ein bewegungsfest mit der Detektionseinheit verbundenes Gegenelektrodenelement aufweist, wobei das Elektrodenelement und das Gegenelektrodenelement entlang einer zur X-Richtung parallelen Projektionsrichtung überlappend angeordnet sind, wobei in dem dritten Betriebsschritt während der Auslenkung der seismischen Masse in die erste Auslenkungsrichtung und der Auslenkung der Detektionseinheit in die zweite Auslenkungsrichtung das Elektrodenelement und das Gegenelektrodenelement aufeinander zu bewegt werden, wobei in Abhängigkeit eines Abstands zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode eine Auslenkung der seismischen Masse entlang der ersten Auslenkungsrichtung durch die Detektionseinheit kapazitiv detektiert wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, ein Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors bereitzustellen, wobei die elektrische Empfindlichkeit des Inertialsensors erhöht und/oder der Flächenbedarf des Inertialsensors bei einer gleichbleibenden elektrischen Empfindlichkeit reduziert wird.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 bis 4 einen Inertialsensor gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht und
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5 einen Inertialsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittbildansicht.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht dargestellt. Der mikromechanische Inertialsensor 1 ist hier zur Detektion einer Translationsbewegung und/oder Rotationsbewegung des Inertialsensors konfiguriert. Der Inertialsensor 1 weist ein Substrat 2 mit einer Haupterstreckungsebene 100, eine entlang einer X-Richtung 101 auslenkbare seismische Masse 10, eine Detektionseinheit 20 und eine Koppeleinheit 30 und eine weitere Koppeleinheit 30‘ auf. Die X-Richtung 101 ist im Wesentlichen parallelen zur Haupterstreckungsebene 100 angeordnet. Die Y-Richtung 102 ist im Wesentlichen parallel zur Haupterstreckungsebene 100 und senkrecht zur X-Richtung angeordnet und die Z-Richtung 103 ist senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 angeordnet.
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Die seismische Masse 10 weist hier eine Elektrodenstruktur 11, 12, 12‘, 13 mit mehreren Elektrodenelemente 12 und/oder weitere Elektrodenelemente 12‘, wobei die Elektrodenelemente 12 und/oder weiteren Elektrodenelemente 12‘ hier als Balkenelektroden 12, 12‘ ausgebildet sind und sich insbesondere hauptsächlich parallel zur Y-Richtung erstrecken. Die Elektrodenelemente 12 sind hier über ein sich hauptsächlich parallel zur X-Richtung erstreckendes Verbindungselement 11 elektrisch leitfähig, bewegungsfest und/oder starr miteinander verbunden. Hier weist die seismische Masse 10 eine Mehrzahl von, hier fünf, Ausnehmungen 13 auf, wobei sich eine Ausnehmung 13 entlang einer zur Z-Richtung 103 parallelen Projektionsrichtung vollständig durch die seismische Masse 10 hindurch erstreckt. Die Ausnehmung 13 wird hier insbesondere entlang der X-Richtung seitlich durch eine Elektrodenfläche eines Elektrodenelements 12 und einer weiteren Elektrodenfläche eines weiteren Elektrodenelements 12‘ umrandet. Weiterhin ist somit das Elektrodenelement 12 und/oder das weitere Elektrodenelement 12‘ bewegungsfest mit der seismischen Masse 10 integral verbunden.
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Die Detektionseinheit 20 weist hier ein Trägerelement 21 und/oder ein weiteres Trägerelement 21‘ auf, wobei die beiden Trägerelemente 21, 21‘ hier insbesondere als sich flächig hauptsächlich parallel zur Haupterstreckungsebene 100 erstreckende Plattenelektroden 21, 21‘ ausgebildet sind. Hier ist das Trägerelement 21 und/oder das weitere Trägerelement 21‘ aus einer ersten Funktionsschicht 200 mit einer ersten Funktionsebene 200‘ parallel zur Haupterstreckungsebene 100 ausgebildet (siehe 5). Insbesondere ist das Trägerelement 21 elektrisch isoliert von dem weiteren Trägerelement 21‘ angeordnet. Weiterhin weist die Detektionseinheit 20 ein bewegungsfest mit der Detektionseinheit 20 – d.h. hier mit dem Trägerelement 21 – verbundenes Gegenelektrodenelement 22 und/oder ein bewegungsfest mit der Detektionseinheit 20 – d.h. hier mit dem weiteren Trägerelement 21‘ – verbundenes weiteres Gegenelektrodenelement 22‘ auf. Hier ist das Gegenelektrodenelement 22 über ein Kontaktmittel 23 elektrisch leitfähig mit dem Trägerelement und insbesondere elektrisch isoliert von dem weiteren Trägerelement 21‘ an der das Trägerelement 21 und das weitere Trägerelement 21‘ aufweisenden Detektionseinheit 20 angeordnet. Weiterhin ist hier das weitere Gegenelektrodenelement 22‘ über ein weiteres Kontaktmittel 23‘ elektrisch leitfähig mit dem weiteren Trägerelement 21‘ und insbesondere entlang einer Isolierlinie 201 elektrisch isoliert von dem Trägerelement 21 angeordnet. Hier sind das Elektrodenelement 12, das weitere Elektrodenelement 12‘, das Gegenelektrodenelement 22 und/oder das weitere Gegenelektrodenelement 22‘ entlang einer zur X-Richtung 101 parallelen Projektionsrichtung überlappend angeordnet.
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Die Detektionseinheit 20 ist entlang der X-Richtung 101 relativ zum Substrat 2 auslenkbar, wobei die seismische Masse 10 und die Detektionseinheit 20 über die Koppeleinheit 30 miteinander mechanisch gekoppelt sind. Das bedeutet, dass die Koppeleinheit 30 derart konfiguriert ist, dass durch eine Auslenkung der seismischen Masse 10 in eine zur X-Richtung 101 parallele erste Auslenkungsrichtung 101‘ eine Auslenkung der Detektionseinheit 20 in eine zur ersten Auslenkungsrichtung 101‘ entgegengesetzt parallele zweite Auslenkungsrichtung 101‘‘ bewirkt wird. Hierzu weist die Koppeleinheit 30 eine erstes Koppelelement 31, 32 mit einem ersten Schenkel 31 und einem zweiten Schenkel 32 und/oder ein zweites Koppelelement 33, 34 mit einem dritten Schenkel 33 und einem vierten Schenkel 34 auf. Der erste Schenkel 31 ist hier federelastisch mit der seismischen Masse gekoppelt, der zweite Schenkel ist hier starr mit dem ersten Schenkel 31 an einem Verbindungspunkt 36 verbunden, wobei der erste Schenkel 31 und der zweite Schenkel 32 senkrecht zueinander angeordnet sind und um eine parallel zur Z-Richtung 103, den Verbindungspunkt 36 schneidende, erste Schwenkachse 36 verschwenkbar mit dem Substrat 2 verbunden sind. Das erste Koppelelement 31, 32 und zweite Koppelelement 33, 34 sind im Wesentlichen gleich ausgebildet, wobei das zweite Koppelelement 33, 34 um eine zweite Schwenkachse 37 verschwenkbar ist, wobei das vierte Schenkelelement 34 mit der Teilelektrode 21 federelastisch verbunden ist. Der zweite Schenkel 32 und der dritte Schenkel 33 sind über ein Federmittel 35 federelastisch miteinander gekoppelt, wobei das Federmittel 35 insbesondere derart ausgebildet ist, dass der zweite Schenkel 32 und dritte Schenkel 33 elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind, wie es durch den Pfeil 202 angedeutet ist. Weiterhin sind weisen die Schenkel 31, 32, 33, 34 jeweils gleich oder unterschiedliche Schenkellängen 310, 320, 330, 340 auf, um ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis zu erreichen.
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Der Inertialsensor weist hier insbesondere mehrere in gleicher Weise ausgebildete Koppeleinheiten 30 zur mechanischen Kopplung der seismischen Masse mit der Teilelektrode 21 und zwei weitere Koppeleinheiten zur Kopplung der seismischen Masse mit der weiteren Teilelektrode 21‘ auf, wobei die Koppeleinheit 30 und die weitere Koppeleinheit 30‘ hier spiegelsymmetrisch bezüglich einer zur X-Richtung verlaufenden Achse ausgebildet sind.
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In 2 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht dargestellt, wobei der in 1 mit A bezeichnete Bereich hier vergrößert dargestellt ist. Die Detektionseinheit 20 ist zur kapazitiven Detektion einer Auslenkung der seismischen Masse 10, entlang der X-Richtung 101, in Abhängigkeit eines Abstands 400, entlang der X-Richtung 101, zwischen der Elektrode 12 und der Gegenelektrode 22 und/oder in Abhängigkeit eines weiteren Abstands 400‘, entlang der X-Richtung 101, zwischen der weiteren Elektrode 12‘ und der Gegenelektrode 22 konfiguriert. Hier weist die Gegenelektrode 22 eine Gegenelektrodenbreite 210 auf, welche kleiner ist als eine Ausnehmungsbreite 110 der Ausnehmung 13, wobei sich die Gegenelektrodenbreite 210 und die Ausnehmungsbreite 110 jeweils entlang der X-Richtung 101 erstrecken. In 2 ist der Inertialsensor 1 in einer Ruhestellung dargestellt, wobei der Abstand 400 im Wesentlichen gleich dem weiteren Abstand 400‘ ist.
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In 3 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht dargestellt. Zur Detektion einer Translationsbewegung und/oder Rotationsbewegung des Inertialsensors 1 wird eine Auslenkung der seismischen Masse 10 entlang der X-Richtung 101 kapazitiv detektiert. Hier wird das Betriebsverfahren beispielhaft anhand einer Koppeleinheit 30 beschrieben, wobei die Beschreibung entsprechend auch für die weitere Koppeleinheit 30‘ bzw. die mehreren Koppeleinheiten 30 und mehreren weiteren Koppeleinheiten 30‘ gilt.
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In dem ersten Betriebsschritt wird – beispielsweise auf Grund einer auf die seismische Masse 10 in die erste Auslenkungsrichtung 101‘ wirkenden Beschleunigungskraft oder einer Corioliskraft – die seismische Masse 10 in die erste Auslenkungsrichtung 101‘ ausgelenkt.
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In dem zweiten Betriebsschritt wird in Abhängigkeit der Auslenkung der seismischen Masse 10 entlang der ersten Auslenkungsrichtung 101‘ eine Schwenkbewegung der Koppeleinheit 30 bewirkt. Hierzu wird ein mit der seismischen Masse federelastisch gekoppeltes erstes Ende des ersten Schenkels 31 in die Auslenkungsrichtung 101‘ mitgenommen, sodass eine erste Schwenkbewegung des Koppelelements 31, 32 aus erstem Schenkel 31 und zweitem Schenkel 32 um die erste Schwenkachse 36 bewirkt wird, wobei das Koppelelement 31, 32 insbesondere im Bereich der Schwenkachse 36 drehbar mit dem Substrat 2 verbunden ist. Gemäß der in 3 dargestellten Aufsicht erfolgt die erste Schwenkbewegung des ersten Koppelelements 31, 32 bei einer Auslenkung der seismischen Masse 10 in die erste Auslenkungsrichtung 101‘ im Uhrzeigersinn. Hierdurch wird das zweite Koppelelement 33, 34 der Koppeleinheit 30 auf Grund der federelastischen Kopplung zwischen den beiden Koppelelementen 31, 32, und 33, 34 – hier mittels des Federmittels 35, d.h. zwischen dem zweiten Schenkel 32 und dem dritten Schenkel 33 – eine zweite Schwenkbewegung des zweiten Koppelelements 33, 34 um die zweite Schwenkachse 37 erzeugt. Gemäß der in 3 dargestellten Aufsicht wird durch die erste Schwenkbewegung des ersten Koppelelements 31, 32 im Uhrzeigersinn die zweite Schwenkbewegung des zweiten Koppelelements 33, 34 im Gegenuhrzeigersinn bewirkt. Somit wird der vierte Schenkel 34 des zweiten Koppelelements 33, 34 in antiparallel zur ersten Auslenkungsrichtung 101‘ – d.h. in die zweite Auslenkungsrichtung 101‘‘ – verschwenkt.
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Hierdurch wird die mit dem vierten Schenkel 34 federelastisch gekoppelte Detektionseinheit in die zweite Auslenkungsrichtung 101‘‘ ausgelenkt. Insbesondere bewirkt umgekehrt eine entgegengesetzte Auslenkung der seismischen Masse 10 in die zweite Auslenkungsrichtung 101‘‘ in analoger Weise eine Auslenkung der Detektionseinheit in die erste Auslenkungsrichtung 101‘. In dem dritten Betriebsschritt wird in Abhängigkeit der Schwenkbewegung der Koppeleinheit 30 somit die Detektionseinheit 20 entlang einer zur ersten Auslenkungsrichtung 101‘ entgegengesetzt parallelen zweiten Auslenkungsrichtung 101‘‘ ausgelenkt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Detektionseinheit 20 derart konfiguriert, dass die seismische Masse 10 durch die Detektionseinheit 20 zu einer Antriebsschwingung entlang der X-Richtung 101 angetrieben wird. Hierbei wird die seismische Masse 10 über die Koppeleinheit 30 entsprechend der beschriebenen Wirkungsweise angetrieben.
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In 4 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht dargestellt, wobei der in 3 mit A‘ bezeichnete Bereich hier vergrößert dargestellt ist. Hier ist durch die Auslenkung der seismischen Masse 10 in die erste Auslenkungsrichtung 101‘ und die Auslenkung der Detektionseinheit 20 in die zweite Auslenkungsrichtung 101‘‘ der Abstand 400 gegenüber dem weiteren Abstand 400‘ deutlich verkleinert. Der Umlenkmechanismus führt hier dazu, dass die Gegenelektrode 22 der Detektionseinheit 20 auf die Elektrode 12 der seismischen Masse 10 zubewegt wird. Hierbei wird insbesondere im einfachsten Fall bei einer Auslenkung der seismischen Masse 10 um einen Weg der Abstand 400 um den doppelten Weg verkleinert.
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In 5 ist ein Inertialsensor 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Schnittbildansicht dargestellt, wobei hier ein Schnitt entlang der in 2 dargestellten B-B-Schnittlinie dargestellt ist. Hier ist das Substrat 2 mit der in einer Substratschicht 100‘ angeordneten Haupterstreckungsebene 100 dargestellt. Das Trägerelement 21 ist aus einer ersten Funktionsschicht 200‘ mit einer ersten Funktionsebene 200 ausgebildet und die seismische Masse 10 aus einer zweiten Funktionsschicht 300‘ mit einer zweiten Funktionsebene 300 ausgebildet. Weiterhin ist die Gegenelektrode 22 ebenfalls aus der zweiten Funktionsschicht 300‘ ausgebildet und mit dem Trägerelement 21 bewegungsfest und/oder elektrisch leitfähig verbunden. Hier ist das Gegenelektrodenelement entlang der X-Richtung zwischen dem Elektrodenelement 12 und dem weiteren Elektrodenelement 12‘ in der zweiten Funktionsebene 300 angeordnet. Die Detektionseinheit 20 mit dem Trägerelement 21 und der Gegenelektrode 22 ist entlang der X-Richtung 101 auslenkbar auf dem Substrat 2 angeordnet und die seismische Masse 10 entlang der X-Richtung 101 auslenkbar in Z-Richtung 103 von Substrat 2 in Richtung der seismischen Masse 10 über dem Trägerelement 21 angeordnet. Hierdurch wird auf besonders effiziente und platzsparende Weise eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Inertialsensors 1 erzielt.
