DE102019216535A1

DE102019216535A1 - Antiphase accelerometer with a light and a heavy mass

Info

Publication number: DE102019216535A1
Application number: DE102019216535.4A
Authority: DE
Inventors: Jochen Reinmuth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2021-04-29

Abstract

Es wird ein Beschleunigungssensor (1) vorgeschlagen, aufweisend ein Substrat, das sich entlang einer von einer X-Richtung (2) und einer dazu senkrecht stehenden Y-Richtung (4) aufgespannten X-Y-Ebene erstreckt, wobei der Beschleunigungssensor (1) eine leichte und eine schwere Masse (6, 5) aufweist, wobei die schwere Masse (5) eine höhere Trägheit aufweist als die leichte Masse (6), wobei die schwere Masse (5) und die leichte Masse (6) aneinander und an das Substrat durch mindestens zwei Hebel-Feder-Elemente (9) derart gekoppelt sind, dass die beiden Massen (6, 5) relativ zueinander und relativ zum Substrat in X- und Y-Richtung (2, 3) und in einer senkrecht auf der X-Y-Ebene stehenden Z-Richtung (4) auslenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Hebel-Feder-Element (9) ein Hebel-Teilelement (10) und ein erstes, zweites und drittes Feder-Teilelement (11, 12, 13) umfasst, wobei das Hebel-Teilelement (10) jeweils durch das erste Feder-Teilelement (11) über einen Ankerpunkt (7) mit dem Substrat verbunden ist, durch das zweite Feder-Teilelement (12) mit der schweren Masse (5) verbunden ist und durch das dritte Feder-Teilelement (13) mit der leichten Masse (6) verbunden ist.An acceleration sensor (1) is proposed, having a substrate which extends along an XY plane spanned by an X direction (2) and a Y direction (4) perpendicular thereto and a heavy mass (6, 5), the heavy mass (5) having a higher inertia than the light mass (6), the heavy mass (5) and the light mass (6) passing through each other and to the substrate at least two lever-spring elements (9) are coupled in such a way that the two masses (6, 5) relative to each other and relative to the substrate in the X and Y directions (2, 3) and in a perpendicular to the XY plane standing Z-direction (4) are deflectable, characterized in that each lever-spring element (9) comprises a lever sub-element (10) and a first, second and third spring sub-element (11, 12, 13), wherein the lever sub-element (10) each through the first spring sub-element (11) via an anchor point (7) with the Substrate is connected, is connected by the second spring sub-element (12) to the heavy mass (5) and is connected by the third spring sub-element (13) to the light mass (6).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on an acceleration sensor according to the preamble of claim 1.

Derartige Beschleunigungssensoren detektieren eine am Sensor anliegende Beschleunigung auf Grundlage des physikalischen Umstands, dass zur Beschleunigung der beiden ungleichen Massen unterschiedlich starke Trägheitskräfte überwunden werden müssen. Die Aufhängung der beiden Massen ist dabei so gestaltet, dass sich durch diesen Trägheitsunterschied ein Kräfteungleichgewicht ausbildet und die Massen verschieden stark ausgelenkt werden, so dass die Beschleunigung über die relativen Auslenkungen bestimmt werden kann.Such acceleration sensors detect an acceleration applied to the sensor on the basis of the physical fact that inertial forces of different strengths have to be overcome in order to accelerate the two unequal masses. The suspension of the two masses is designed in such a way that this difference in inertia creates a force imbalance and the masses are deflected to different degrees, so that the acceleration can be determined via the relative deflections.

Ein solcher Beschleunigungssensor ist beispielsweise aus der US 2015/0192603 A1 bekannt. Bei dem darin beschriebenen Sensor werden die beiden Massen über zwei Hebel so miteinander gekoppelt, dass sie in X- und in Z-Richtung relativ zueinander ausgelenkt werden können. Liegt eine Beschleunigung in eine dieser beiden Richtungen an, so kommt es zu einer antiparallelen Bewegung der schweren zur leichten Masse, die durch die Massenasymmetrie und die Feder- und Hebelanordnung bestimmt ist. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die beiden Massen bei einer Auslenkung in Z-Richtung in ihrer Orientierung parallel zum Substrat bleiben, d.h. es kommt nicht wie bei den meist zur Z-Beschleunigungsmessung verwendeten Z-Wippen zu einer Kippbewegung der Massen. Liegt dagegen eine Y-Beschleunigung an, bewegen sich die beiden Massen in dieselbe Richtung, wobei die leichte Masse bei hoher Massenasymmetrie nur ungefähr halb so stark wie die schwere Masse ausgelenkt wird. Die Bewegungen der leichten und der schweren Masse in Y-Richtung unterscheiden sich also von den antiparallelen X- und Z-Bewegungen und sind damit insbesondere schwerer auszuwerten. In X- und Z-Richtung kann die antiparallele Bewegung über im Sensorkern fest angeordnete Elektroden mittels eines differentiellen Messprinzips sehr einfach und genau gemessen werden. In Y-Richtung wird dagegen nur die Bewegung entweder der schweren oder der leichten Masse bestimmt. Damit geht jedoch in Y-Richtung Symmetrie verloren, was erfahrungsgemäß oft zu einem schlechteren Signal führt. Zudem wird im Sensorkern zusätzlicher Raum für feststehende Elektroden benötigt.Such an acceleration sensor is, for example, from US 2015/0192603 A1 known. In the sensor described therein, the two masses are coupled to one another via two levers in such a way that they can be deflected relative to one another in the X and Z directions. If there is an acceleration in one of these two directions, there is an anti-parallel movement of the heavy to the light mass, which is determined by the mass asymmetry and the arrangement of springs and levers. It is particularly advantageous that the two masses remain in their orientation parallel to the substrate when they are deflected in the Z direction, ie there is no tilting movement of the masses, as is the case with the Z rockers mostly used for Z acceleration measurement. If, on the other hand, there is a Y acceleration, the two masses move in the same direction, with the light mass being deflected only about half as much as the heavy mass if the mass asymmetry is high. The movements of the light and heavy mass in the Y direction therefore differ from the anti-parallel X and Z movements and are therefore particularly more difficult to evaluate. In the X and Z directions, the anti-parallel movement can be measured very easily and precisely using electrodes that are fixed in the sensor core using a differential measuring principle. In the Y direction, on the other hand, only the movement of either the heavy or the light mass is determined. However, this means that symmetry is lost in the Y direction, which experience has shown often leads to a poorer signal. In addition, additional space is required in the sensor core for fixed electrodes.

Das unterschiedliche Verhalten in X- und Y-Richtung macht es also schwierig den Sensor in diese beiden Richtungen gleich auszulegen oder/und auszuwerten. Insbesondere muss eventuell in Y-Richtung ein anderes Messprinzip genutzt werden oder zumindest mit einem anderen Verhalten bezüglich Linearität und Empfindlichkeit und weiteren Parametern gerechnet werden. Um einen gegenüber einer Verbiegung des Substrats unempfindlichen Z-Sensor zu bauen, ist es in der US 2015/0192603 A1 vorgesehen, die beiden Aufhängungen für die beiden Wippen auf der X-Achse auf Höhe der Detektionselektroden anordnen. Eine Verwölbung in X-Richtung sollte damit in erster Näherung in gleicher Weise auf die beiden beweglichen Massen wie auf die am Substrat verankerten Elektroden wirken und damit kompensiert werden. Eine Verwölbung in Y-Richtung kann nicht kompensiert werden, sondern erfordert beispielsweise die Verwendung von Kompensationselektroden, um das Fehlsignal zu reduzieren.The different behavior in the X and Y directions makes it difficult to design and / or evaluate the sensor in the same way in these two directions. In particular, a different measuring principle may have to be used in the Y direction or at least a different behavior with regard to linearity and sensitivity and other parameters must be expected. In order to build a Z-sensor that is insensitive to bending of the substrate, it is in the US 2015/0192603 A1 provided, arrange the two suspensions for the two rockers on the X-axis at the level of the detection electrodes. A curvature in the X-direction should therefore act in the same way on the two movable masses as on the electrodes anchored on the substrate and thus be compensated for as a first approximation. Warping in the Y direction cannot be compensated, but requires the use of compensation electrodes, for example, in order to reduce the false signal.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor zur Verfügung zu stellen, mit der die vorstehend beschriebenen Nachteile vermieden werden können.Against this background, it is an object of the present invention to provide an acceleration sensor with which the disadvantages described above can be avoided.

Der Beschleunigungssensor gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die besondere Gestaltung der durch die Hebel-Feder-Elemente gebildeten Aufhängung nicht nur antiparallele Auslenkungen der leichten und schweren Masse in alle drei Raumrichtungen erlaubt, sondern dass das Verhalten der Aufhängung bezüglich der zwei verschiedenen Richtungen im Wesentlichen gleichartig ist, was es deutlich vereinfacht, den Sensor bezüglich dieser beiden Richtungen gleich auszulegen bzw. auszuwerten. Während sich bei einer, durch eine X-Beschleunigung verursachten X-Auslenkung das in die erste Richtung verlaufende Hebel-Teilelement verkippt, wird eine ähnliche Verkippungsbewegung bei einer Y-Auslenkung von dem zweiten Hebel-Teilelement ausgeführt. Anders ausgedrückt findet hier lediglich eine Vertauschung der Rollen statt, die von den einzelnen Hebel-Feder-Elementen übernommen werden. Das dynamische Verhalten der Aufhängung ist damit bezüglich beider Richtungen im Wesentlichen äquivalent und lässt insbesondere symmetrische Ausgestaltungen zu, mit denen sich nahezu oder völlig identisches Verhalten in beide Richtungen erreichen lässt.The acceleration sensor according to the main claim has the advantage over the prior art that the special design of the suspension formed by the lever-spring elements not only allows anti-parallel deflections of the light and heavy mass in all three spatial directions, but also that the behavior of the suspension with respect to of the two different directions is essentially the same, which makes it significantly easier to design or evaluate the sensor identically with respect to these two directions. While the lever sub-element running in the first direction tilts in the event of an X deflection caused by an X acceleration, a similar tilting movement is carried out by the second lever sub-element in the case of a Y deflection. In other words, the roles that are taken over by the individual lever-spring elements are merely interchanged here. The dynamic behavior of the suspension is therefore essentially equivalent with regard to both directions and, in particular, allows symmetrical configurations with which almost or completely identical behavior can be achieved in both directions.

Zur Beschreibung der geometrischen Verhältnisse wird die Substratebene (X-Y-Ebene) zugrunde gelegt. Die X-Richtung und die auf der X-Richtung senkrecht stehende Y-Richtung bilden dabei gleichzeitig zwei parallel zum Substrat verlaufende Bewegungsrichtungen, in die die leichte und schwere Masse ausgelenkt werden können. Die dritte Auslenkungsrichtung ist die senkrecht auf der X-Y-Ebene stehenden Z-Richtung, so dass über die Bewegungen der Massen Beschleunigung in alle drei Raumrichtungen bestimmt werden können. Die geometrische Form der Massen, der Hebel-Feder-Elemente und der Detektionselektroden und deren räumliche Anordnung werden im Folgenden vorrangig bezüglich der X-Y-Ebene beschrieben, d.h. geometrische Angaben beziehen sich jeweils auf die X-Y-Ausdehnung, sofern nicht explizit auf die Ausdehnung in Z-Richtung Bezug genommen wird.The substrate plane (XY plane) is used as the basis for describing the geometric relationships. The X-direction and the Y-direction, which is perpendicular to the X-direction, simultaneously form two directions of movement running parallel to the substrate, in which the light and heavy mass can be deflected. The third direction of deflection is the Z direction, which is perpendicular to the XY plane, so that acceleration in all three spatial directions can be determined via the movements of the masses. The The geometric shape of the masses, the lever-spring elements and the detection electrodes and their spatial arrangement are described below primarily with regard to the XY plane, that is, geometric information relates to the XY dimension, unless it is explicitly related to the dimension in Z- Direction is referred to.

Erfindungsgemäß umfasst die Aufhängung der beiden Massen mindestens zwei Hebel-Feder-Elemente, wobei spezielle Ausführungsformen zusätzlich auch weitere Feder-Elemente, Hebel-Elemente und/oder Hebel-Feder-Elemente umfassen können. Neben den beiden Massen kann der Sensor noch weitere leichte und/oder schwere Massen aufweisen, insbesondere kann der Sensor eine schwere Masse und zwei leichte Massen aufweisen. Jedes der zwei Hebel-Feder-Elemente umfasst ein Hebel-Teilelement und drei Feder-Teilelemente, die das Hebel-Teilelement mit der schweren Masse, der leichten Masse und mit dem Substrat verbinden. Auf diese Weise wird sowohl eine Kopplung der Massen untereinander, als auch eine Kopplung zwischen den Massen und dem Substrat hergestellt. Jeweils ein Hebel-Feder-Element weist ein Hebel-Teilelement auf, das in die erste Richtung verläuft, wobei das mit diesem Hebel-Teilelement verbundene Feder-Teilelement vorzugsweise senkrecht zur ersten Richtung verläuft. Das zweite Hebel-Feder-Element weist ein Hebel-Teilelement auf, das in die zweite Richtung verläuft, wobei die zugehörigen Feder-Teilelemente vorzugsweise senkrecht zur zweiten Richtung verlaufen. Die Nutzung von mehreren Feder-Teilelementen und deren bessere Verteilung in Sensorkern sowie unterschiedliche Orientierung ermöglichen vorteilhafterweise eine bessere Mittelung von Vorspannungseffekten der Feder-Teilelemente. Es können damit Sensoren gebaut werden, deren Vorauslenkung aufgrund von zufällig verteilten Vorspannungen im Federmaterial reduziert sind.According to the invention, the suspension of the two masses comprises at least two lever-spring elements, with special embodiments also being able to include further spring elements, lever elements and / or lever-spring elements. In addition to the two masses, the sensor can also have further light and / or heavy masses, in particular the sensor can have one heavy mass and two light masses. Each of the two lever-spring elements comprises a lever sub-element and three spring sub-elements which connect the lever sub-element to the heavy mass, the light mass and to the substrate. In this way, both the masses are coupled to one another and the masses and the substrate are coupled. Each lever-spring element has a lever sub-element which runs in the first direction, the spring sub-element connected to this lever sub-element preferably running perpendicular to the first direction. The second lever-spring element has a lever sub-element which runs in the second direction, the associated spring sub-elements preferably running perpendicular to the second direction. The use of several spring sub-elements and their better distribution in the sensor core as well as different orientations advantageously enable better averaging of pretensioning effects of the spring sub-elements. It can be used to build sensors whose forward deflection is reduced due to randomly distributed pre-stresses in the spring material.

Bei jedem der zwei Hebel-Feder-Elemente ist das erste Feder-Teilelement vorzugsweise an einem Ende über einen Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden und an einem entgegengesetzten Ende an einem ersten Verbindungspunkt mit dem Hebel-Teilelement verbunden. Das zweite Feder-Teilelement ist vorzugsweise an einem Ende mit der schweren Masse verbunden und an dem entgegengesetzten Ende an einem zweiten Verbindungspunkt mit dem Hebel-Teilelement verbunden. Das dritte Feder-Teilelement ist schließlich vorzugsweise an einem Ende mit der leichten Masse verbunden und an dem entgegengesetzten Ende mit der leichten Masse verbunden. Der erste Verbindungspunkt liegt dabei vorzugsweise zwischen dem zweiten und dritten Verbindungspunkt und ist von beiden beabstandet. Bei einer Beschleunigung des Substrats wird die Bewegung über das erste Feder-Teilelement auf das Hebel-Teilelement übertragen und über das Hebel-Teilelement und das damit verbundene zweite Feder-Teilelement wiederum auf die schwere Masse übertragen. Die schwere Masse setzt der Beschleunigung aufgrund ihrer Trägheit einen Widerstand entgegen, so dass über den Hebelarm zwischen dem ersten und zweiten Verbindungspunkt ein Drehmoment am ersten Verbindungspunkt anliegt. Umgekehrt setzt die leichte Masse der Beschleunigung ebenfalls einen, wenn auch geringeren Widerstand entgegen und erzeugt so über den Hebelarm zwischen ersten und dritten Verbindungspunkt ein dem durch die schwere Masse erzeugten Drehmoment entgegengesetztes, schwächeres Drehmoment. Das resultierende Nettodrehmoment, das am ersten Verbindungspunkt angreift führt zu einer Verkippung, bei der sich der mit der schweren Masse verbundene zweite Verbindungspunkt relativ zum ersten Verbindungspunkt entgegen der Beschleunigungsrichtung bewegt und sich der mit der leichten Masse verbundene dritte Verbindungspunkt relativ zum ersten Verbindungspunkt in Beschleunigungsrichtung bewegt. Bildlich gesprochen bleibt also die trägere Masse bei der Beschleunigung hinter der leichten Masse zurück und zieht den zweiten Verbindungspunkt in die, der Beschleunigung entgegengesetzte Richtung, so dass sich das Hebel-Teilelement entsprechend verkippt. Bei einer Z-Beschleunigung verkippt das Hebel-Teilelement in analoger Weise in Z-Richtung, d.h. der zweite und dritte Verbindungspunkt führen relativ zum ersten Verbindungspunkt eine antiparallele Bewegung in Z-Richtung aus, so dass das Hebel-Teilelement eine Drehung erfährt, deren Drehachse parallel zur X-Y-Ebene liegt. Insbesondere liegt bei einem in X-Richtung verlaufenden Hebel-Teilelement die Drehachse dabei parallel zur Y-Richtung, während sie bei einem in Y-Richtung verlaufenden Hebel-Teilelement parallel zur X-Richtung liegt. Bei einer X-Beschleunigung verkippt insbesondere ein in Y-Richtung verlaufendes Hebel-Teilelement in X-Richtung, dreht sich also um eine parallel zur Z-Richtung liegende Drehachse derart, dass der zweite und dritte Verbindungspunkt eine antiparallele Bewegung in X-Richtung ausführen. Bei einer Y-Beschleunigung verkippt umgekehrt insbesondere ein in X-Richtung verlaufendes Hebel-Teilelement in Y-Richtung, dreht sich also um eine parallel zur Z-Richtung liegende Drehachse derart, dass der zweite und dritte Verbindungspunkt eine antiparallele Bewegung in Y-Richtung ausführen. Die Feder-Teilelemente sind nun insbesondere so gestaltet, dass die jeweilige Verkippung des Hebel-Teilelements ermöglicht wird, d.h. ihre Aufgabe besteht darin, eine zusätzliche Flexibilität zu schaffen, die den beiden Massen und der Hebel-Teilelemente den für die antiparallele Bewegung notwendigen Bewegungsspielraum eröffnet und der bei völlig starren Verbindungen nicht zur Verfügung stände. Bei einer Z-Auslenkung führen die Feder-Teilelemente insbesondere Torsionsbewegungen aus, so dass sich das Hebel-Teilelement relativ zum Substrat verkippen kann. In each of the two lever-spring elements, the first spring sub-element is preferably connected to the substrate at one end via an anchor point and connected to the lever sub-element at an opposite end at a first connection point. The second spring sub-element is preferably connected to the heavy mass at one end and connected to the lever sub-element at the opposite end at a second connection point. Finally, the third spring sub-element is preferably connected to the light mass at one end and connected to the light mass at the opposite end. The first connection point is preferably between the second and third connection point and is spaced from both. When the substrate accelerates, the movement is transmitted via the first spring sub-element to the lever sub-element and is in turn transferred to the heavy mass via the lever sub-element and the second spring sub-element connected to it. The heavy mass opposes the acceleration due to its inertia, so that a torque is applied to the first connection point via the lever arm between the first and second connection point. Conversely, the light mass also opposes the acceleration, albeit a lesser resistance, and thus generates, via the lever arm between the first and third connection point, a weaker torque which is opposite to the torque generated by the heavy mass. The resulting net torque acting on the first connection point leads to a tilting in which the second connection point connected to the heavy mass moves relative to the first connection point against the direction of acceleration and the third connection point connected to the light mass moves in the direction of acceleration relative to the first connection point . Figuratively speaking, the inert mass remains behind the light mass during acceleration and pulls the second connection point in the direction opposite to the acceleration, so that the lever sub-element tilts accordingly. In the case of a Z acceleration, the lever sub-element tilts in an analogous manner in the Z direction, ie the second and third connection points perform an anti-parallel movement in the Z direction relative to the first connection point, so that the lever sub-element undergoes a rotation whose axis of rotation parallel to the XY plane. In particular, in the case of a lever sub-element running in the X direction, the axis of rotation lies parallel to the Y direction, while in the case of a lever sub-element running in the Y direction it lies parallel to the X direction. In the event of an X acceleration, a lever sub-element running in the Y direction tilts in the X direction, i.e. rotates around an axis of rotation parallel to the Z direction in such a way that the second and third connection points execute an anti-parallel movement in the X direction. Conversely, in the case of Y acceleration, a lever sub-element running in the X direction tilts in the Y direction, i.e. rotates around an axis of rotation parallel to the Z direction in such a way that the second and third connection points execute an anti-parallel movement in the Y direction . The spring sub-elements are designed in such a way that the respective tilting of the lever sub-element is made possible, ie their task is to create additional flexibility that gives the two masses and the lever sub-elements the freedom of movement necessary for anti-parallel movement and which would not be available with completely rigid connections. In the case of a Z deflection, the spring sub-elements execute torsional movements in particular, so that the lever sub-element can tilt relative to the substrate.

Bei einer Auslenkung in der X-Y-Ebene führen die Feder-Teilelemente insbesondere Biegebewegungen aus, um die antiparallele Bewegung der leichten und schweren Masse und die damit verbundene antiparallele Bewegung der zweiten und dritten Verbindungspunkte zu ermöglichen. Vorzugsweise sind die Feder-Teilelemente daher torsions- und biegeweich gestaltet. Besonders bevorzugt sind die Feder-Teilelemente biegeweich bezüglich Biegungen in X- und Y-Richtung, während die Steifigkeit bezüglich Biegungen in Z-Richtung höher ausfällt. Auf diese Weise ist der erste Verbindungspunkt am Hebel-Teilelement bezüglich einer Z-Bewegung relativ starr an das Substrat gekoppelt, während der zweite Verbindungspunkt in ähnliche starrer Weise an die schwere Masse und der dritte Verbindungspunkt an die leichte Masse gekoppelt ist, so dass die durch die antiparallele Bewegung der beiden Massen verursachte Verkippung nicht durch Biegungen der Feder-Teilelemente in Z-Richtung vermindert wird. In X- und Y-Richtung sorgt dagegen die niedrigere Biegesteifigkeit für die notwendige Flexibilität, die die Verkippung des Hebel-Teilelements ermöglicht. Eine solche anisotrope Steifigkeit lässt sich beispielsweise durch einen entsprechend gewählten Querschnitt der Feder-Teilelemente erzielen, d.h. indem die Ausdehnung des Querschnitts in Z-Richtung größer ist als die Ausdehnungen in X- und Y-Richtung. Beispielsweise wird diese Eigenschaft durch einen Rechteckigen Querschnitt mit entsprechendem Aspektverhältnis realisiert.In the event of a deflection in the XY plane, the spring sub-elements carry out bending movements in particular in order to enable the anti-parallel movement of the light and heavy mass and the associated anti-parallel movement of the second and third connection points. The spring sub-elements are therefore preferably designed to be torsionally and flexurally soft. The spring sub-elements are particularly preferably flexible with regard to bends in the X and Y directions, while the rigidity with regard to bends in the Z direction is higher. In this way, the first connection point on the lever sub-element is relatively rigidly coupled to the substrate with respect to a Z movement, while the second connection point is coupled in a similarly rigid manner to the heavy mass and the third connection point to the light mass, so that the through the anti-parallel movement of the two masses caused tilting is not reduced by bending the spring sub-elements in the Z-direction. In the X and Y directions, on the other hand, the lower flexural rigidity ensures the necessary flexibility that enables the lever sub-element to be tilted. Such anisotropic rigidity can be achieved, for example, by a correspondingly selected cross section of the spring sub-elements, ie by the extent of the cross section in the Z direction being greater than the extent in the X and Y directions. For example, this property is realized by a rectangular cross-section with a corresponding aspect ratio.

Das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Grundkonzept lässt verschiedene vorteilhafte Ausgestaltungen zu, die im Folgenden beschrieben werden. Insbesondere lässt sich durch eine symmetrische Konfiguration des Sensorkerns erreichen, dass das dynamische Verhalten in X- und Y-Richtung nahezu oder sogar vollständig identisch ist. Dies erlaubt es beispielsweise, in X- und Y-Richtung die gleichen Auswertestrukturen und die gleiche Auswerteelektronik zu verwenden und garantiert ein identisches Messsignal in beide Richtungen. Dadurch, dass der Sensor automatisch gleiches Verhalten und gleiche Empfindlichkeit bezüglich beider Richtungen aufweist, muss eine Optimierung der Hebel-Feder-Elemente nur noch zwischen der Z-Richtung und einer der beiden äquivalente Richtungen (X oder Y) vorgenommen werden. Dies kann über die Längen der Feder-Teilelemente, die Längen der Hebel-Teilelemente oder über die gezielte Einrichtung der Steifigkeiten der Feder-Teilelemente in ausgesprochen einfacher und genauer Weise erfolgen. Darüber hinaus wird es bei einer symmetrischen Konfiguration möglich, eine Elektrodenanordnung zu entwerfen, die nicht nur gegenüber Verbiegungen des Substrats in X-Richtung, sondern auch in Y-Richtung unempfindlich ist.The basic concept according to the invention described above allows various advantageous configurations which are described below. In particular, a symmetrical configuration of the sensor core makes it possible to achieve that the dynamic behavior in the X and Y directions is almost or even completely identical. This makes it possible, for example, to use the same evaluation structures and the same evaluation electronics in the X and Y directions and guarantees an identical measurement signal in both directions. Because the sensor automatically has the same behavior and the same sensitivity with regard to both directions, the lever-spring elements only need to be optimized between the Z direction and one of the two equivalent directions (X or Y). This can be done in an extremely simple and precise manner via the lengths of the spring sub-elements, the lengths of the lever sub-elements or via the targeted establishment of the stiffnesses of the spring sub-elements. In addition, with a symmetrical configuration, it becomes possible to design an electrode arrangement that is not only insensitive to bending of the substrate in the X direction, but also in the Y direction.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die schwere Masse und die leichte Masse aneinander und an das Substrat durch vier Hebel-Feder-Elemente derart gekoppelt sind, dass die beiden Massen relativ zueinander und relativ zum Substrat in X-, Y- und Z-Richtung auslenkbar sind, wobei jedes Hebel-Feder-Element ein Hebel-Teilelement und ein erstes, zweites und drittes Feder-Teilelement umfasst, wobei das Hebel-Teilelement jeweils durch das erste Feder-Teilelement über einen Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden ist, durch das zweite Feder-Teilelement mit der schweren Masse verbunden ist und durch das dritte Feder-Teilelement mit der leichten Masse verbunden ist, wobei die vier Hebel-Feder-Elemente derart angeordnet sind, dass jeweils zwei Hebel-Teilelemente im unausgelenkten Zustand in X-Richtung verlaufen und zwei Hebel-Teilelemente im unausgelenkten Zustand in Y-Richtung verlaufen, wobei die Hebel-Feder-Elemente derart ausgestaltet sind, dass sich die vier Hebel-Teilelemente bei einer Z-Beschleunigung in Z-Richtung verkippen, sich die zwei in Y-Richtung verlaufenden Hebel-Teilelemente bei einer X-Beschleunigung in X-Richtung verkippen und sich die zwei in X-Richtung verlaufenden Hebel-Elemente bei einer Y-Beschleunigung in Y-Richtung verkippen. Bei dieser Ausführungsform weist der Sensor also neben den erfindungsgemäßen zwei Hebel-Feder-Elementen zwei weitere Hebel-Feder-Elemente auf, so dass sich eine Aufhängung aus insgesamt vier Hebel-Feder-Elementen ergibt. Der Aufbau und die Verbindung der zusätzlichen zwei Hebel-Feder-Elemente ist analog zu den ersten beiden Hebel-Feder-Elementen, wobei die erste und zweite Richtung (d.h. die beiden Richtungen, in die die Hebel-Teilelemente verlaufen) hier der X- und Y-Richtung entsprechen und sich die Hebel-Feder-Teilelemente bei X- und Y-Beschleunigungen jeweils in die X- bzw. Y-Richtung verkippen. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich wiederum der Vorteil, dass die besondere Gestaltung der durch die Hebel-Feder-Elemente gebildeten Aufhängung nicht nur antiparallele Auslenkungen der leichten und schweren Masse in alle drei Raumrichtungen erlaubt, sondern dass das Verhalten der Aufhängung bezüglich der X-Richtung und der Y-Richtung im Wesentlichen gleichartig ist, was es deutlich vereinfacht, den Sensor bezüglich dieser beiden Richtungen gleich auszulegen bzw. auszuwerten. Während sich bei einer, durch eine X-Beschleunigung verursachten X-Auslenkung die beiden in Y-Richtung verlaufenden Hebel-Teilelemente verkippen, wird eine ähnliche Verkippungsbewegung bei einer Y-Auslenkung von den in X-Richtung verlaufenden Hebel-Teilelementen ausgeführt. Anders ausgedrückt findet bei einer Y-Auslenkung im Vergleich zur X-Auslenkung lediglich eine Vertauschung der Rollen statt, die von den einzelnen Hebel-Feder-Elementen übernommen werden. Das dynamische Verhalten der Aufhängung ist damit bezüglich beider Richtungen im Wesentlichen äquivalent und lässt insbesondere symmetrische Ausgestaltungen zu, mit denen sich nahezu oder völlig identisches Verhalten in beide Richtungen erreichen lässt. Die Aufhängung der beiden Massen mindestens vier Hebel-Feder-Elemente, wobei spezielle Ausführungsformen zusätzlich auch weitere Feder-Elemente, Hebel-Elemente und/oder Hebel-Feder-Elemente umfassen können. Jedes der vier Hebel-Feder-Elemente umfasst ein Hebel-Teilelement und drei Feder-Teilelemente, die das Hebel-Teilelement mit der schweren Masse, der leichten Masse und mit dem Substrat verbinden. Auf diese Weise wird sowohl eine Kopplung der Massen untereinander, als auch eine Kopplung zwischen den Massen und dem Substrat hergestellt. Jeweils zwei der vier Hebel-Feder-Elemente weisen Hebel-Teilelemente auf, die in X-Richtung verlaufen, wobei die mit diesen Hebel-Teilelementen verbundenen Feder-Teilelemente vorzugsweise in Y-Richtung verlaufen. Die verbleibenden zwei Hebel-Feder-Elemente weisen Hebel-Teilelemente auf, die in Y-Richtung verlaufen, wobei die zugehörigen Feder-Teilelemente vorzugsweise in X-Richtung verlaufen. Die Nutzung von mehreren Feder-Teilelementen und deren bessere Verteilung in Sensorkern sowie unterschiedliche Orientierung ermöglichen vorteilhafterweise eine bessere Mittelung von Vorspannungseffekten der Feder-Teilelemente. Es können damit Sensoren gebaut werden, deren Vorauslenkung aufgrund von zufällig verteilten Vorspannungen im Federmaterial reduziert sind.According to a particularly preferred embodiment, the heavy mass and the light mass are coupled to one another and to the substrate by four lever-spring elements in such a way that the two masses can be deflected relative to one another and relative to the substrate in the X, Y and Z directions each lever-spring element comprises a lever sub-element and a first, second and third spring sub-element, the lever sub-element being connected to the substrate by the first spring sub-element via an anchor point, by the second spring -Part element is connected to the heavy mass and is connected to the light mass by the third spring sub-element, the four lever-spring elements being arranged in such a way that two lever sub-elements each run in the undeflected state in the X direction and two Lever sub-elements run in the undeflected state in the Y direction, the lever-spring elements being designed such that the four lever sub-elements tilt in the Z direction during a Z acceleration, the two lever sub-elements extending in the Y direction tilt in the X direction during an X acceleration and the two lever elements extending in the X direction in a Y acceleration Tilt the Y direction. In this embodiment, the sensor has two further lever-spring elements in addition to the two lever-spring elements according to the invention, so that there is a suspension from a total of four lever-spring elements. The structure and the connection of the additional two lever-spring elements is analogous to the first two lever-spring elements, with the first and second direction (ie the two directions in which the lever sub-elements run) here the X and Corresponding to the Y direction and the lever-spring sub-elements tilt each other in the X and Y directions during X and Y accelerations. This embodiment again has the advantage that the special design of the suspension formed by the lever-spring elements not only allows anti-parallel deflections of the light and heavy mass in all three spatial directions, but that the behavior of the suspension with respect to the X direction and the Y direction is essentially the same, which makes it significantly easier to design or evaluate the sensor in the same way with regard to these two directions. While the two lever sub-elements running in the Y direction tilt in the event of an X deflection caused by an X acceleration, a similar tilting movement is carried out in the case of a Y deflection of the lever sub-elements running in the X direction. In other words, in the case of a Y deflection compared to the X deflection, the roles that are taken over by the individual lever-spring elements are only interchanged. The dynamic behavior of the suspension is therefore essentially equivalent with regard to both directions and can not in particular, symmetrical designs with which almost or completely identical behavior can be achieved in both directions. The suspension of the two masses has at least four lever-spring elements, with special embodiments also being able to include further spring elements, lever elements and / or lever-spring elements. Each of the four lever-spring elements comprises a lever sub-element and three spring sub-elements which connect the lever sub-element to the heavy mass, the light mass and to the substrate. In this way, both the masses are coupled to one another and the masses and the substrate are coupled. Two of the four lever-spring elements each have lever sub-elements which run in the X direction, the spring sub-elements connected to these lever sub-elements preferably running in the Y direction. The remaining two lever-spring elements have lever sub-elements which run in the Y direction, the associated spring sub-elements preferably running in the X direction. The use of several spring sub-elements and their better distribution in the sensor core as well as different orientations advantageously enable better averaging of pretensioning effects of the spring sub-elements. It can be used to build sensors whose forward deflection is reduced due to randomly distributed pre-stresses in the spring material.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die zwei oder vier Hebel-Feder-Elemente identische Form auf und sind bezüglich der X-Y-Ebene jeweils um 90° zueinander gedreht angeordnet. Bei einer Ausführungsform mit drei Hebel-Feder-Elementen weisen die drei Hebel-Feder-Elemente vorzugsweise eine identische Form auf und sind bezüglich der X-Y-Ebene jeweils um 120° zueinander gedreht angeordnet. Durch eine identische Form aller zwei, drei oder vier Hebel-Feder-Elemente lässt sich vorteilhafterweise eine Aufhängung mit einer hohen Symmetrie in der X-Y-Ebene erreichten. Alternativ ist denkbar, die Hebel-Feder-Elemente bezüglich der X-Y-Ebene jeweils um 90° zueinander gedreht anzuordnen, die 90°-Drehsymmetrie jedoch dadurch zu brechen, dass die vier Hebel-Feder-Elemente nicht von identischer Form sind. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Asymmetrien der beiden Massen oder der übrigen Sensorstruktur gezielt kompensieren. Analoge Möglichkeiten bestehen bei den Ausführungsformen mit zwei bzw. drei Hebel-Feder-Elementen.According to a preferred embodiment, the two or four lever-spring elements have an identical shape and are arranged rotated by 90 ° with respect to one another with respect to the X-Y plane. In an embodiment with three lever-spring elements, the three lever-spring elements preferably have an identical shape and are arranged rotated by 120 ° with respect to one another with respect to the X-Y plane. By having all two, three or four lever-spring elements identical in shape, it is advantageously possible to achieve a suspension with a high degree of symmetry in the X-Y plane. Alternatively, it is conceivable to arrange the lever-spring elements rotated by 90 ° to each other with respect to the X-Y plane, but to break the 90 ° rotational symmetry by the fact that the four lever-spring elements are not of identical shape. In this way, for example, asymmetries of the two masses or the remaining sensor structure can be compensated for in a targeted manner. Similar possibilities exist in the embodiments with two or three lever-spring elements.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung aus der schweren und leichten Masse und den vier Hebel-Feder-Elementen bezüglich der X-Y-Ebene symmetrisch gegenüber Drehungen um 90° oder die Anordnung aus der schweren und leichten Masse und den vier Hebel-Feder-Elementen weist bezüglich der X-Y-Ebene zwei Symmetrieachsen auf, wobei beide Symmetrieachsen einen 45°-Winkel mit der X-Richtung und der Y-Richtung einschließen. Im Falle der Rotationssymmetrie bedeutet die Symmetrie bezüglich 90°-Drehungen automatisch Symmetrien gegenüber 180° und 270°, so dass die Anordnung eine vierzählige Symmetrie aufweist. Die 180°-Drehsymmetrie garantiert dabei automatisch, dass sich Auslenkungen in positive und negative Richtung identisch verhalten. Eine antiparallelen Auslenkung, bei der sich die schwere Masse beispielsweise in X-Richtung und die leichte Masse in die negative X-Richtung bewegt, unterliegt also damit demselben Verhalten, wie eine antiparallele Auslenkung, bei der sich die schwere Masse in negative X-Richtung und die leichte Masse in positive X-Richtung bewegt. Durch die 90°-Drehung werden insbesondere die Hebel-Feder-Elemente, deren Hebel-Elemente in X-Richtung verlaufen auf die Hebel-Feder-Elemente abgebildet, deren Hebel-Elemente in Y-Richtung verlaufen. Weiterhin weisen sowohl die leichte, als auch die schwere Masse die vierzählige Drehsymmetrie auf. Im Falle der Symmetrie bezüglich der beiden Symmetrieachsen ist die Anordnung spiegelsymmetrisch bezüglich der beiden Diagonalen der X-Y-Ebene, d.h. gegenüber den beiden Achsen, die mit der X-Richtung bzw. der Y-Richtung einen 45°-Winkel einschließen. Da durch eine Spiegelung bezüglich jeder dieser beiden Achsen die X-Richtung auf die Y-Richtung abgebildet wird, ergibt sich wieder ein äquivalentes dynamisches Verhalten bezüglich der beiden Richtung. Da die Verknüpfung der beiden Achsenspiegelungen einer Drehung um 180° entspricht ergibt sich zudem die oben beschriebene Symmetrie zwischen positiven und negativen Auslenkungen.According to a preferred embodiment, the arrangement of the heavy and light mass and the four lever-spring elements is symmetrical with respect to the XY plane with respect to rotations of 90 ° or the arrangement of the heavy and light mass and the four lever-spring elements with respect to the XY plane, two axes of symmetry, both axes of symmetry enclose a 45 ° angle with the X direction and the Y direction. In the case of rotational symmetry, the symmetry with respect to 90 ° rotations automatically means symmetries with respect to 180 ° and 270 °, so that the arrangement has four-fold symmetry. The 180 ° rotational symmetry automatically guarantees that deflections in positive and negative directions behave identically. An anti-parallel deflection in which the heavy mass moves in the X direction and the light mass in the negative X direction, for example, is therefore subject to the same behavior as an anti-parallel deflection in which the heavy mass moves in the negative X direction and the light mass moves in the positive X-direction. As a result of the 90 ° rotation, in particular the lever-spring elements whose lever elements run in the X direction are mapped onto the lever-spring elements whose lever elements run in the Y direction. Furthermore, both the light and the heavy mass have fourfold rotational symmetry. In the case of symmetry with respect to the two axes of symmetry, the arrangement is mirror-symmetrical with respect to the two diagonals of the X-Y plane, i.e. with respect to the two axes that enclose a 45 ° angle with the X-direction and the Y-direction. Since the X-direction is mapped to the Y-direction by a mirroring with respect to each of these two axes, there is again an equivalent dynamic behavior with respect to the two directions. Since the link between the two axis mirror images corresponds to a rotation by 180 °, the above-described symmetry between positive and negative deflections also results.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich durch die Verwendung von mehr als vier Hebel-Feder-Elementen. Günstig sind dabei insbesondere Anordnungen mit 4n Hebel-Feder-Elementen (mit ganzzahligem n), die symmetrisch bezüglich Drehungen um 90°/n sind. Beispielsweise können 8 Hebel-Feder-Elemente in einer 45°-Symmetrie um ein Zentrum angeordnet werden. Derartige höhere Ordnungen weisen jedoch gleichzeitig immer automatisch die 90°-Drehsymmetrie auf und stellen damit spezifische Ausgestaltungen dieser Symmetrie dar. Durch eine solche Anordnung mit einer höheren Ordnung der Drehsymmetrie ist es vorteilhafterweise möglich, auch Verbiegungseffekte höherer Ordnung des Substrats zu kompensieren.Further preferred embodiments result from the use of more than four lever-spring elements. Arrangements with 4n lever-spring elements (with an integer n), which are symmetrical with respect to rotations of 90 ° / n, are particularly favorable. For example, 8 lever-spring elements can be arranged in a 45 ° symmetry around a center. However, such higher orders always automatically have the 90 ° rotational symmetry and thus represent specific configurations of this symmetry. Such an arrangement with a higher order of rotational symmetry, it is advantageously possible to compensate for higher-order bending effects of the substrate.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umschließt die schwere Masse die leichte Masse bezüglich der X-Y-Ebene vollständig. Anders ausgedrückt bildet die schwere Masse bezüglich der X-Y-Ebene eine Rahmenstruktur, in deren Inneren die leichte Masse angeordnet ist. Vorzugsweise ist die leichte Masse im geometrischen Zentrum des Chips oder in dessen Nähe angeordnet. Vorzugsweise sind die Anordnung und Form der beiden Massen so gewählt, dass ihre Schwerpunkte zusammenfallen und insbesondere mit dem geometrischen Zentrum des Chips zusammenfallen. Vorteilhaft an dieser Anordnung ist, dass auch bei einer nicht quadratischen Grundfläche des Sensorchips die schwere Masse auf die nicht quadratische Grundfläche angepasst werden kann, so dass keine Fläche verloren geht und trotzdem eine voll symmetrische Anordnung der Hebel-Feder-Elemente möglich ist. Bei Ausführungsformen mit mehreren leichten Massen, beispielsweise mit zwei leichten Massen, umschließt die schwere Masse die leichten Massen bezüglich der X-Y-Ebene vollständig. Bei Ausführungsformen mit mehreren leichten und schweren Massen umschließen vorzugsweise alle schweren Massen alle leichten Massen.According to a preferred embodiment, the heavy mass completely encloses the light mass with respect to the XY plane. In other words, the heavy mass forms a frame structure with respect to the XY plane, in the interior of which the light mass is arranged. The light mass is preferably arranged in the geometric center of the chip or in its vicinity. Preferably are the arrangement and shape of the two masses are chosen so that their centers of gravity coincide and, in particular, coincide with the geometric center of the chip. The advantage of this arrangement is that even with a non-square base area of the sensor chip, the heavy mass can be adapted to the non-square base area, so that no area is lost and a fully symmetrical arrangement of the lever-spring elements is still possible. In embodiments with several light masses, for example with two light masses, the heavy mass completely encloses the light masses with respect to the XY plane. In embodiments with several light and heavy masses, all heavy masses preferably enclose all light masses.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die leichte Masse als ein einziges zusammenhängendes Massenelement ausgeführt. Vorzugsweise ist die leichte Masse im Innenraum der umgebenden schweren Masse als verbundene Struktur angeordnet. Weiterhin ist es günstig, zumindest einen Teilbereich der schweren Masse in Richtung des Chipmittelpunkts in den Bereich hineinragen zu lassen, der durch die Hebel-Feder-Elemente umfasst wird. Unter dem Bereich, der durch die Hebel-Feder-Elemente umfasst wird, ist dabei der Bereich zu verstehen, der den Schwerpunkt der leichten und/oder der schwerem Masse umfasst und der nach außen von den Punkten begrenzt wird, an denen die Feder-Teilelemente mit der leichten und schweren Masse verbunden sind. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung weist der Sensor zwei leichte Massen auf. Anders ausgedrückt ist das leichte Massenelement dabei geteilt, vorzugsweise in der Mitte geteilt. Auf diese Weise lässt sich das leichte Massenelement vorteilhafterweise noch leichter machen, wobei sich hier jedoch auch Nachteile bezüglich der Robustheit ergeben.According to a preferred embodiment, the light mass is designed as a single cohesive mass element. The light mass is preferably arranged in the interior of the surrounding heavy mass as a connected structure. Furthermore, it is favorable to have at least a partial area of the heavy mass protrude in the direction of the chip center point into the area which is encompassed by the lever-spring elements. The area that is encompassed by the lever-spring elements is to be understood as the area that encompasses the center of gravity of the light and / or heavy mass and that is delimited to the outside by the points at which the spring sub-elements connected with light and heavy mass. According to an alternative embodiment, the sensor has two light masses. In other words, the light mass element is divided, preferably divided in the middle. In this way, the light mass element can advantageously be made even lighter, but this also results in disadvantages with regard to robustness.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ankerpunkte der vier Hebel-Feder-Elemente bezüglich der X-Y-Ebene in einer Umgebung eines Schwerpunkts der leichten Masse und/oder eines Schwerpunkts der schweren Masse angeordnet und jeweils das erste Feder-Teilelement verläuft vom Schwerpunkt weg in Richtung des Hebel-Teilelements. Vorzugsweise sind die Ankerpunkte der Hebel-Feder-Elemente am Substrat in der Nähe der Chipmitte angeordnet. Anders ausgedrückt weisen die ersten Feder-Teilelemente von den Hebel-Teilelementen zu den Ankerpunkten hin in Richtung des Chipzentrums.According to a preferred embodiment, the anchor points of the four lever-spring elements are arranged with respect to the XY plane in the vicinity of a center of gravity of the light mass and / or a center of gravity of the heavy mass and the first spring sub-element in each case runs away from the center of gravity in the direction of Lever sub-element. The anchor points of the lever-spring elements are preferably arranged on the substrate in the vicinity of the center of the chip. In other words, the first spring sub-elements point from the lever sub-elements to the anchor points in the direction of the chip center.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jeweils das erste Feder-Teilelement an einem ersten Verbindungspunkt mit dem Hebel-Teilement verbunden, das zweite Feder-Teilelement an einem zweiten Verbindungspunkt mit dem Hebel-Teilement verbunden und das dritte Feder-Teilelement an einem dritten Verbindungspunkt mit dem Hebel-Teilement verbunden, wobei eine Hebellänge zwischen dem ersten und zweiten Verbindungspunkt gleich einer Hebellänge zwischen dem ersten und dritten Verbindungspunkt ist. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise eine möglichst große Symmetrie in der Aufhängung erreichen. In dieser Anordnung bedingt die Massenasymmetrie eine nicht völlig gleich starke Auslenkung der leichten und der schweren Masse, daher kann es je nach Auswertekonzept auch günstig sein, die Hebellänge zwischen dem ersten und zweiten Verbindungspunkt kleiner oder größer als die Hebellänge zwischen dem ersten und dritten Verbindungspunkt zu wählen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Hebellänge zwischen dem ersten und zweiten Verbindungspunkt kleiner als die Hebellänge zwischen dem ersten und dritten Verbindungspunkt.According to a preferred embodiment, the first spring sub-element is connected to the lever sub-element at a first connection point, the second spring sub-element is connected to the lever sub-element at a second connection point and the third spring sub-element is connected to the lever at a third connection point -Part element connected, wherein a lever length between the first and second connection point is equal to a lever length between the first and third connection point. In this way, the greatest possible symmetry can advantageously be achieved in the suspension. In this arrangement, the mass asymmetry does not cause the light and heavy mass to be deflected to the same extent, so depending on the evaluation concept, it can also be advantageous to make the lever length between the first and second connection point smaller or greater than the lever length between the first and third connection point choose. According to a particularly preferred embodiment, the lever length between the first and second connection point is smaller than the lever length between the first and third connection point.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Beschleunigungssensor eine substratfeste erste Elektrodenanordnung auf, wobei die erste Elektrodenanordnung eine erste Elektrode zur Detektion von Z-Auslenkungen der leichten Masse und eine zweite Elektrode zur Detektion von Z-Auslenkungen der schweren Masse umfasst, wobei die erste Elektrode bezüglich der X-Y-Ebene in einer Umgebung eines Schwerpunkts der leichten Masse angeordnet ist und/oder die zweite Elektrode bezüglich der X-Y-Ebene in einer Umgebung eines Schwerpunkts der schweren Masse angeordnet ist. Besonders günstig ist es, die Elektroden für die Detektion der Z-Bewegung in der Chipmitte anzuordnen. Die feststehenden Elektroden können unterhalb oder oberhalb oder in beiden Positionen relativ zur den beiden beweglichen Massen angeordnet werden.According to a preferred embodiment, the acceleration sensor has a substrate-fixed first electrode arrangement, wherein the first electrode arrangement comprises a first electrode for the detection of Z-deflections of the light mass and a second electrode for the detection of Z-deflections of the heavy mass, the first electrode with respect to the XY plane is arranged in a vicinity of a center of gravity of the light mass and / or the second electrode is arranged with respect to the XY plane in a vicinity of a center of gravity of the heavy mass. It is particularly favorable to arrange the electrodes for the detection of the Z movement in the center of the chip. The stationary electrodes can be arranged below or above or in both positions relative to the two movable masses.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erste Elektrodenanordnung bezüglich der X-Y-Ebene symmetrisch gegenüber Drehungen um 90° oder weist bezüglich der X-Y-Ebene zwei Symmetrieachsen auf, wobei beide Symmetrieachsen einen 45°-Winkel mit der X-Richtung und der Y-Richtung einschließen. Auf diese Weise lässt sich die Symmetrie auf die Gesamtanordnung aus der schweren und leichten Masse, den vier Hebel-Feder-Elementen und der ersten Elektrodenanordnung erweitern. Vorzugsweise weist die Gesamtanordnung eine vierzählige Symmetrie auf, wobei sich besonders bevorzugt die der schweren Masse zugeordneten Elektroden mit denen der leichten Masse abwechseln, so dass sich Elektroden der schweren bzw. leichten Masse bezüglich der X-Y-Ebene jeweils um 180° gedreht gegenüberstehen. Analog können Drehsymmetrien höherer Ordnung realisiert werden, bei der beispielsweise die Elektroden in einer 8-zähligen Symmetrie auf dem Substrat angeordnet werden. Auf diese Weise lassen sich vorteilhafterweise auch Effekte höherer Ordnung kompensieren, die durch Substratverbiegungen hervorgerufen werden.According to a particularly preferred embodiment, the first electrode arrangement is symmetrical with respect to rotations of 90 ° with respect to the XY plane or has two axes of symmetry with respect to the XY plane, both axes of symmetry enclosing a 45 ° angle with the X direction and the Y direction . In this way, the symmetry can be extended to the overall arrangement of the heavy and light mass, the four lever-spring elements and the first electrode arrangement. The overall arrangement preferably has four-fold symmetry, the electrodes associated with the heavy mass particularly preferably alternating with those of the light mass, so that electrodes of the heavy or light mass face each other rotated by 180 ° with respect to the XY plane. Similarly, higher order rotational symmetries can be realized in which, for example, the electrodes are arranged in an 8-fold symmetry on the substrate. In this way you can advantageously also compensate for higher-order effects that are caused by substrate bending.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Elektrodenanordnung bezüglich der X-Y-Ebene in einer Umgebung eines Schwerpunkts der leichten Masse und/oder eines Schwerpunkts der schweren Masse angeordnet und die Ankerpunkte der vier Hebel-Feder-Elemente grenzen an die erste Elektrodenanordnung an. Besonders günstig ist es, die Ankerpunkte im Bereich der feststehenden Elektroden für die Z-Bewegung anzuordnen. Es ist insbesondere günstig die Ankerpunkte außerhalb des geometrischen Mittelpunkts der feststehenden Elektroden aber innerhalb des Bereichs anzuordnen, der durch die Hebel-Feder-Elemente umfasst wird. Eine Verbiegung des Substrats führt in einer derartigen Anordnung zu einer Verschiebung sowohl der beiden beweglichen Massen als auch der feststehenden Elektroden, die sich im kapazitiven Signal erste Ordnung kompensieren.According to a preferred embodiment, the first electrode arrangement is arranged with respect to the X-Y plane in the vicinity of a center of gravity of the light mass and / or a center of gravity of the heavy mass and the anchor points of the four lever-spring elements adjoin the first electrode arrangement. It is particularly favorable to arrange the anchor points in the area of the stationary electrodes for the Z movement. It is particularly advantageous to arrange the anchor points outside the geometric center point of the stationary electrodes but within the area which is encompassed by the lever-spring elements. In such an arrangement, bending of the substrate leads to a displacement of both the movable masses and the stationary electrodes, which compensate for each other in the first-order capacitive signal.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Beschleunigungssensor eine substratfeste zweite Elektrodenanordnung auf, wobei die zweite Elektrodenanordnung eine dritte Elektrode zur Detektion von X-Auslenkungen der leichten Masse, eine vierte Elektrode zur Detektion von X-Auslenkungen der schweren Masse, eine fünfte Elektrode zur Detektion von Y-Auslenkungen der leichten Masse und eine sechste Elektrode zur Detektion von Y-Auslenkungen der schweren Masse umfasst, wobei die zweite Elektrodenanordnung bezüglich der X-Y-Ebene eine 90°-Rotationssymmetrie aufweist.
Vorzugsweise ist die zweite Elektrodenanordnung in gleicher Weise wie die Ankerpunkte außerhalb des geometrischen Mittelpunkts der feststehenden Elektroden aber innerhalb des Bereichs anzuordnen, der durch die Hebel-Feder-Elemente umfasst wird.According to a preferred embodiment, the acceleration sensor has a second electrode arrangement fixed to the substrate, the second electrode arrangement having a third electrode for detecting X deflections of the light mass, a fourth electrode for detecting X deflections of the heavy mass, and a fifth electrode for detecting Y. Deflections of the light mass and a sixth electrode for detecting Y deflections of the heavy mass, the second electrode arrangement having a 90 ° rotational symmetry with respect to the XY plane.
The second electrode arrangement is preferably to be arranged in the same way as the anchor points outside the geometric center point of the stationary electrodes but within the area which is encompassed by the lever-spring elements.

Mit den Hebel-Feder-Elementen lässt sich ferner eine Minimalanordnung mit mindestens einer Masse realisieren, bei der die Aufhängung lediglich durch zwei Hebel-Feder-Elemente realisiert wird. Dabei sind die beiden Hebel-Feder-Elemente derart angeordnet, dass der Winkel zwischen den Hebel-Teilelementen der beiden Hebel-Feder-Elemente und/oder der Winkel zwischen den ersten Feder-Teilelementen der beiden Hebel-Feder-Elemente und/oder der Winkel zwischen den zweiten Feder-Teilelementen der beiden Hebel-Feder-Elemente und/oder der Winkel zwischen den dritten Feder-Teilelementen der beiden Hebel-Feder-Elemente von Null verschieden ist. Vorzugsweise ist mindestens einer dieser Winkel mindestens 15°, besonders bevorzugt ist mindestens einer der Winkel 90°.With the lever-spring elements, a minimal arrangement with at least one mass can also be implemented, in which the suspension is implemented only by two lever-spring elements. The two lever-spring elements are arranged such that the angle between the lever sub-elements of the two lever-spring elements and / or the angle between the first spring sub-elements of the two lever-spring elements and / or the angle between the second spring sub-elements of the two lever-spring elements and / or the angle between the third spring sub-elements of the two lever-spring elements is different from zero. Preferably at least one of these angles is at least 15 °, particularly preferably at least one of the angles is 90 °.

FigurenlisteFigure list

1 shows in a schematic representation a symmetrical embodiment of the acceleration sensor according to the invention.
2a and 2 B show in schematic representations two embodiments of the lever-spring element.
3a and 3b show, in a schematic representation, deflections of the two masses in the X and Y directions.
4th shows, in a schematic representation, deflections of the two masses in the Z direction.
5 shows a schematic representation of an electrode arrangement for detecting deflections in the Z direction.
6th shows a schematic representation of an electrode arrangement for detecting deflections in the X and Y directions.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist eine besonders günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors 1 in einer Aufsicht dargestellt. Die horizontale Richtung der Blattebene entspricht dabei der X-Richtung 2, während die Vertikale der Y-Richtung 3 entspricht. Die von den beiden Richtungen 2, 3 aufgespannte X-Y-Ebene entspricht der Haupterstreckungsebene des Substrats des Sensors 1. Der Sensor 1 umfasst eine leichte Masse 6, die aus zwei Segmenten aufgebaut ist, die im Mittelpunkt 17 des Sensorchips über einen Steg verbunden sind. Die schwere Masse 5 umfasst ebenfalls zwei Segmente, die jedoch nicht über den Mittelpunkt 17 hinweg verbunden sind, sondern stattdessen mit einem, die leichte Masse 6 umgebenden Rahmen verbunden sind, der zusammen mit den beiden Segmenten in der Mitte die schwere Masse 5 bildet. Alternativ ist denkbar, die beiden Segemente nicht über die Mitte zu verbinden, sondern als zwei getrennte Elemente auszubilden, die zusammen die Funktion der leichten Masse übernehmen. Als Aufhängung sind vier Hebel-Feder-Elemente 9 vorgesehen, die bei der dargestellten Ausführungsform kreuzförmig und jeweils um 90° zueinander verdreht um den Mittelpunkt 17 angeordnet sind. Die vier Hebel-Feder-Elemente 9 umfassen jeweils ein Hebel-Teilelement 10, und ein erstes, zweites und drittes Feder-Teilelement 11, 12, 13. Die Hebel-Feder-Elemente 9 koppeln in folgender Weise die beiden Massen 6, 5 aneinander und an das Substrat: Das Hebel-Teilelement 10 ist über das erste Feder-Teilelement 11 über einen, in der Nähe des Chipmittelpunkts 17 angeordneten Ankerpunkt 7 am Substrat verankert, wobei das erste Feder-Teilelement 11 vom Hebel-Teilelement 10 zum Chipzentrum 17 hin weist. Das erste Feder-Teilelement 11 dient als Torsions- und als biegeweiche Feder. Weiter ist an dem ersten Ende des Hebel-Teilelements 10 das zweite Feder-Teilelement 12 vorgesehen, das mit der schweren Masse 5 gekoppelt wird. Am zweiten Ende des Hebel-Teilelements 10 wird ein drittes Feder-Teilelement 13 vorgesehen, das mit der leichten Masse 6 gekoppelt wird. Das zweite und dritte Feder-Teilelement 12, 13 dient ebenfalls jeweils als Torsions- und als biegeweiche Feder. Bei der hier dargestellten Ausführungsform sind alle Hebel-Feder-Elemente identisch ausgestaltet und mit einer 90°-Rotationssymmetrie um das Chipzentrum 17 herum angeordnet. Dadurch wird eine vollständige Symmetrie in X- und Y-Richtung 2, 3 erreicht. Weiterhin weist die Gesamtanordnung aus schwerer und leichter Masse 5, 6 und den vier Hebel-Feder-Elementen 9 zwei Spiegelsymmetriachsen 8, 8' auf, die beide sowohl mit der X- als auch mit der Y-Achse 2, 3 einen 45°-Winkel einschließen. Durch diese hochsymmetrische Konfiguration wird vorteilhafterweise erreicht, dass das dynamische Verhalten des Sensors 1 bezüglich der X- und Y-Richtung 2, 3 vollständig äquivalent ist.In 1 is a particularly favorable embodiment of the acceleration sensor according to the invention 1 shown in a top view. The horizontal direction of the plane of the sheet corresponds to the X direction 2 while the vertical of the Y direction 3 corresponds to. The one from both directions 2 , 3 The spanned XY plane corresponds to the main plane of extent of the substrate of the sensor 1 . The sensor 1 includes a light mass 6th which is made up of two segments that take center stage 17th of the sensor chip are connected via a web. The heavy mass 5 also includes two segments, which however do not have the center point 17th away, but instead with one, the light mass 6th surrounding frame are connected, which together with the two segments in the middle the heavy mass 5 forms. Alternatively, it is conceivable not to connect the two segments via the middle, but rather to design them as two separate elements which together take on the function of the light weight. There are four lever-spring elements for suspension 9 provided, which in the illustrated embodiment are cross-shaped and each rotated by 90 ° to one another around the center point 17th are arranged. The four lever-spring elements 9 each include a lever sub-element 10 , and a first, second and third spring sub-element 11 , 12th , 13th . The lever-spring elements 9 couple the two masses in the following way 6th , 5 to each other and to the substrate: the lever sub-element 10 is about the first spring sub-element 11 over one near the center of the chip 17th arranged anchor point 7th anchored to the substrate, the first spring sub-element 11 from the lever sub-element 10 to the chip center 17th points out. The first spring sub-element 11 serves as a torsion and as a flexible spring. Next is at the first end of the lever sub-element 10 the second spring sub-element 12th provided that with the heavy mass 5 is coupled. At the second end of the lever sub-element 10 becomes a third spring sub-element 13th provided that with the light weight 6th is coupled. The second and third spring sub-elements 12th , 13th also serves as a torsion spring and as a flexible spring. In the embodiment shown here, all lever-spring elements are designed identically and with 90 ° rotational symmetry around the chip center 17th arranged around. This creates complete symmetry in the X and Y directions 2 , 3 reached. Furthermore, the overall arrangement has a heavy and light mass 5 , 6th and the four lever-spring elements 9 two mirror symmetry axes 8th , 8th' on, both with both the X and Y axes 2 , 3 Include a 45 ° angle. This highly symmetrical configuration advantageously ensures that the dynamic behavior of the sensor 1 with respect to the X and Y directions 2 , 3 is fully equivalent.

In der 2a ist die Form der Hebel-Feder-Elemente 9 aus 1 im Detail dargestellt. Das mit dem Ankerpunkt 7 verbundene erste Feder-Teilelement 11 ist mit dem Hebel-Teilelement 10 an einem ersten Verbindungspunkt 21 verbunden. Das mit der (nur angedeuteten) schweren Masse 5 verbundene zweite Feder-Teilelement 12 ist an einem zweiten Verbindungspunkt 22 mit dem Hebel-Teilelement 10 verbunden, während das mit der (ebenfalls nur angedeuteten) leichten Masse 6 verbundene dritte Feder-Teilelement 13 an einem dritten Verbindungspunkt 23 mit dem Hebel-Teilelement 10 verbunden ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Hebellänge 24 zwischen dem ersten und zweiten Verbindungspunkt 21, 22 gleich der Hebellänge 25 zwischen dem ersten und dritten Verbindungspunkt 21, 23, wodurch sich vorteilhafterweise eine möglichst große Symmetrie in der Aufhängung erreichen lässtIn the 2a is the shape of the lever-spring elements 9 out 1 shown in detail. The one with the anchor point 7th connected first spring sub-element 11 is with the lever sub-element 10 at a first connection point 21 connected. The one with the (only hinted at) heavy mass 5 connected second spring sub-element 12th is at a second connection point 22nd with the lever sub-element 10 connected, while that with the (also only hinted at) light mass 6th connected third spring sub-element 13th at a third connection point 23 with the lever sub-element 10 connected is. In the illustrated embodiment, the lever length is 24 between the first and second connection point 21 , 22nd equal to the lever length 25th between the first and third connection point 21 , 23 , whereby the greatest possible symmetry can advantageously be achieved in the suspension

Das in 2b dargestellte Hebel-Feder-Element 9 ist im Vergleich zu 2a asymmetrisch aufgebaut, um beispielsweise durch die Massenasymmetrie bedingte ungleiche Auslenkung der leichten und der schweren Masse 6, 5 auszugleichen. Zu diesem Zweck ist hier die Hebellänge 24 zwischen dem ersten und zweiten Verbindungspunkt 21, 22 kleiner als die Hebellänge 25 zwischen dem ersten und dritten Verbindungspunkt 21, 23.This in 2 B illustrated lever-spring element 9 is compared to 2a set up asymmetrically, for example to avoid unequal displacement of the light and heavy mass due to the mass asymmetry 6th , 5 balance. For that purpose, here is the lever length 24 between the first and second connection point 21 , 22nd smaller than the lever length 25th between the first and third connection point 21 , 23 .

In der 3a ist der Sensor 1 aus 1 mit einer antiparallelen Auslenkung der beiden Massen 5, 6 abgebildet. Am Sensor 1 liegt eine Beschleunigung in positive X-Richtung 2 an, so dass die sich die leichte Masse 6 in positive X-Richtung 2 und die schwere Masse 5 in die entgegengesetzte Richtung verschiebt. Bei dieser Bewegung verkippen sich die beiden horizontal gegenüberstehenden Hebel-Teilelemente 10 in X-Richtung 2, während die jeweils damit verbundenen zweiten und dritten Feder-Teilelemente 12, 13 eine Biegebewegung ausführen, um diese Verkippung zu ermöglichen. Die beiden vertikal gegenüberstehenden Hebel-Teilelemente 10 erfahren dagegen keine Verkippung während sich die damit verbundenen zweiten und dritten Feder-Teilelemente 12, 13 verbiegen, um die antiparallele Bewegung der beiden Massen 5, 6 zu ermöglichen. Die elastische Verformung der Hebel-Feder-Elemente 9 ist hier zusätzlich durch Pfeile gekennzeichnet, die die Bewegungen der einzelnen Partien abbilden.In the 3a is the sensor 1 out 1 with an anti-parallel deflection of the two masses 5 , 6th pictured. At the sensor 1 there is an acceleration in the positive X direction 2 at so that the easy mass 6th in the positive X direction 2 and the heavy mass 5 shifts in the opposite direction. During this movement, the two horizontally opposing lever sub-elements tilt 10 in X direction 2 , while the associated second and third spring sub-elements 12th , 13th perform a bending movement to enable this tilting. The two vertically opposite lever sub-elements 10 on the other hand, do not experience any tilting while the associated second and third spring sub-elements are moving 12th , 13th bend to the antiparallel movement of the two masses 5 , 6th to enable. The elastic deformation of the lever-spring elements 9 is also marked here by arrows that show the movements of the individual parts.

In der 3b ist der Sensor mit einer, durch eine Beschleunigung in positive Y-Richtung 3 verursachte Auslenkung der beiden Massen 5, 6 dargestellt. Hier wird die leichte Masse 6 in positive Y-Richtung 3 und die schwere Masse 5 in negative Y-Richtung ausgelenkt. Die beiden vertikal gegenüberstehenden Hebel-Teilelemente 10 verkippen sich in Y-Richtung 2 und die Feder-Teilelemente 12, 13 erfahren eine Verbiegung. Wie durch Vergleich mit 3a unmittelbar ersichtlich ist, sind die Deformationen der Hebel-Feder-Elemente 9 vollständig äquivalent zu denen der X-Auslenkung, wobei die vertikal und horizontal angeordneten Hebel-Feder-Elemente 9 lediglich die Rollen vertauschen.In the 3b is the sensor with an acceleration in the positive Y-direction 3 caused deflection of the two masses 5 , 6th shown. Here is the light weight 6th in the positive Y direction 3 and the heavy mass 5 deflected in the negative Y direction. The two vertically opposite lever sub-elements 10 tilt in the Y direction 2 and the spring sub-elements 12th , 13th experience a bend. As by comparison with 3a The deformations of the lever-spring elements can be seen immediately 9 completely equivalent to those of the X-deflection, with the vertically and horizontally arranged lever-spring elements 9 just swap roles.

In der 4 ist eine, durch eine Beschleunigung in Z-Richtung 4 verursachte antiparallele Auslenkung der beiden Massen 5, 6 dargestellt, bei der sich die leichte Masse 6 in positive Z-Richtung 4 verschiebt, während sich die schwere Masse 5 in entgegengesetzte Richtung bewegt. Alle Hebel-Teilelemente 10 der vier Hebel-Feder-Elemente 9 verkippen sich dabei in Z-Richtung 4, während die Feder-Teilelemente 11, 12, 13 primär Torsionsbewegungen ausführen um den für die Verkippung benötigten Bewegungsspielraum zur Verfügung zu stellen.In the 4th is one by an acceleration in the Z-direction 4th caused antiparallel deflection of the two masses 5 , 6th shown, at which the light mass 6th in the positive Z direction 4th shifts while the heavy mass moves 5 moved in opposite direction. All lever sub-elements 10 of the four lever-spring elements 9 tilt in the Z direction 4th while the spring sub-elements 11 , 12th , 13th primarily perform torsional movements in order to provide the freedom of movement required for tilting.

Die in 5 dargestellte Elektrodenanordnung 15 dient zur Detektion von Auslenkungen in Z-Richtung 4. Die von der Elektrodenanordnung 15 umfassten Elektroden 31, 32 können unterhalb oder oberhalb oder in beiden Positionen relativ zur den beiden beweglichen Massen 5, 6 angeordnet werden. In der dargestellten Konfiguration sind die Elektroden 31, 32 für die Detektion der Bewegung in der Chipmitte angeordnet. Die Elektroden 31 dienen dabei zur Detektion von Z-Auslenkungen der leichten Masse 6, während die Elektroden 32 die Detektion von Auslenkungen der schweren Masse 5 übernehmen. Die Elektroden weisen hier eine 90°-Drehsymmetrie auf, wobei sich die Elektroden 31 für die leichte Masse 6 mit den Elektroden 32 für die schweren Masse 5 abwechseln. Es ist weiterhin günstig die Ankerpunkte 7 der Hebel-Feder-Elemente 9 im Bereich der feststehenden Elektroden 31, 32 für die Z-Bewegung anzuordnen. Es ist insbesondere günstig die Ankerpunkte außerhalb des geometrischen Mittelpunkts der feststehenden Elektroden 31, 32 aber innerhalb der Umfassung der feststehenden Elektroden 31, 32 anzuordnen. Eine Verbiegung des Substrats führt in einer derartigen Anordnung zu einer Verschiebung sowohl der beiden beweglichen Massen 5, 6 als auch der feststehenden Elektroden 31, 32, die sich im kapazitiven Signal erste Ordnung kompensieren.In the 5 electrode arrangement shown 15th is used to detect deflections in the Z direction 4th . The one from the electrode assembly 15th included electrodes 31 , 32 can be below or above or in both positions relative to the two movable masses 5 , 6th to be ordered. In the configuration shown, the electrodes are 31 , 32 arranged for the detection of the movement in the center of the chip. The electrodes 31 serve to detect Z-deflections of the light mass 6th while the electrodes 32 the detection of deflections of the heavy mass 5 take. The electrodes here have a 90 ° rotational symmetry, with the electrodes 31 for the light mass 6th with the electrodes 32 for the heavy crowd 5 alternate. It is still favorable to the anchor points 7th the lever-spring elements 9 in the area of the fixed electrodes 31 , 32 to arrange for the Z movement. It is particularly favorable the anchor points outside the geometric center of the fixed electrodes 31 , 32 but within the enclosure of the fixed electrodes 31 , 32 to arrange. In such an arrangement, a bending of the substrate leads to a displacement of both the two movable masses 5 , 6th as well as the fixed electrodes 31 , 32 that compensate each other in the first-order capacitive signal.

Die in 4 dargestellte Elektrodenanordnung dient zur Detektion von Auslenkungen in X- und Y-Richtung 2, 3. Zu diesem Zweck weist sie eine dritte Elektrode 33 zur Detektion von X-Auslenkungen der leichten Masse 6, eine vierte Elektrode 34 zur Detektion von X-Auslenkungen der schweren Masse 5, eine fünfte Elektrode 35 zur Detektion von Y-Auslenkungen der leichten Masse 6 und eine sechste Elektrode 36 zur Detektion von Y-Auslenkungen der schweren Masse 5 auf. Die Elektrodenanordnung weist bezüglich der X-Y-Ebene eine 90°-Rotationssymmetrie auf. Es ist weiterhin günstig, die feststehenden Elektroden 33, 34, 35, 36 für die X- und Y-Beschleunigungsdetektion in gleicher Weise wie die Hebel-Feder-Elemente 9 außerhalb des geometrischen Mittelpunkts der feststehenden Elektroden 33, 34, 35, 36 aber innerhalb des Bereichs 18 anzuordnen, der durch die Elektroden 33, 34, 35, 36 umfasst wirdIn the 4th The electrode arrangement shown serves to detect deflections in the X and Y directions 2 , 3 . For this purpose it has a third electrode 33 for the detection of X-deflections of the light mass 6th , a fourth electrode 34 for the detection of X-deflections of the heavy mass 5 , a fifth electrode 35 for the detection of Y-deflections of the light mass 6th and a sixth electrode 36 for the detection of Y-deflections of the heavy mass 5 on. The electrode arrangement has 90 ° rotational symmetry with respect to the XY plane. It is also beneficial to use the fixed electrodes 33 , 34 , 35 , 36 for the X and Y acceleration detection in the same way as the lever-spring elements 9 outside the geometric center of the fixed electrodes 33 , 34 , 35 , 36 but within the range 18th to be arranged by the electrodes 33 , 34 , 35 , 36 is included

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 2015/0192603 A1 [0003, 0004]

Claims

Acceleration sensor (1) having a substrate which extends along an XY plane spanned by an X direction (2) and a Y direction (4) perpendicular thereto, the acceleration sensor (1) having a light and a heavy mass ( 6, 5), the heavy mass (5) having a higher inertia than the light mass (6), the heavy mass (5) and the light mass (6) to each other and to the substrate by at least two lever springs -Elements (9) are coupled in such a way that the two masses (6, 5) relative to each other and relative to the substrate in the X and Y directions (2, 3) and in a Z direction perpendicular to the XY plane ( 4) are deflectable, characterized in that each lever-spring element (9) comprises a lever sub-element (10) and a first, second and third spring sub-element (11, 12, 13), the lever sub-element ( 10) is connected to the substrate in each case by the first spring sub-element (11) via an anchor point (7), dur ch the second spring sub-element (12) is connected to the heavy mass (5) and is connected to the light mass (6) by the third spring sub-element (13), the two lever-spring elements (9) in such a way are arranged that at least one lever sub-element (9) runs in the undeflected state in a first direction (2) and at least one second lever sub-element (9) runs in a second direction (3) in the undeflected state, the first of which second direction is different and the lever-spring elements (9) are designed in such a way that the at least two lever sub-elements (9) tilt in the Z direction (4) during a Z acceleration, the one extending in the first direction Lever sub-element (9) tilts in the XY plane during X acceleration and the lever element (9) extending in the second direction tilts in the XY plane during Y acceleration.

Accelerometer after Claim 1 , wherein the heavy mass (5) and the light mass (6) are coupled to each other and to the substrate by four lever-spring elements (9) in such a way that the two masses (6, 5) relative to each other and relative to the substrate in X, Y and Z directions (2, 3, 4) are deflectable, each lever-spring element (9) having a lever sub-element (10) and a first, second and third spring sub-element (11, 12 , 13), the lever sub-element (10) being connected to the substrate by the first spring sub-element (11) via an anchor point (7), and by the second spring sub-element (12) to the heavy mass (5 ) and is connected to the light mass (6) by the third spring sub-element (13), the four lever-spring elements (9) being arranged in such a way that two lever sub-elements (9) are each in the undeflected state extend in the X direction (2) and two lever sub-elements (9) extend in the undeflected state in the Y direction (3), the lever-spring elements (9) of the art are designed so that the four lever sub-elements (9) tilt in the Z-direction (4) during a Z acceleration, the two partial lever elements (9) extending in the Y-direction (3) during an X acceleration Tilt in the X direction (2) and the two lever elements (9) running in the X direction (2) tilt in the Y direction (3) during Y acceleration.

Acceleration sensor (1) Claim 1 or 2 , wherein the two or four lever-spring elements (9) have an identical shape and are arranged rotated by 90 ° to each other with respect to the XY plane.

Acceleration sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the arrangement of the heavy and light mass (5, 6) and the four lever-spring elements (9) with respect to the XY plane is symmetrical with respect to rotations of 90 ° or the arrangement from the heavy and light mass (5, 6) and the four lever-spring elements (9) has two axes of symmetry (8, 8 ') with respect to the XY plane, both axes of symmetry (8, 8') having a 45 ° - Include angle (14) with the X direction (2) and the Y direction (3).

Acceleration sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the heavy mass (5) completely encloses the light mass with respect to the X-Y plane.

Acceleration sensor (1) Claim 5 wherein the light mass is designed as a single coherent mass element.

Acceleration sensor according to one of the preceding claims, wherein the anchor points (7) of the four lever-spring elements (9) with respect to the XY plane in a vicinity of a center of gravity of the light mass (6) and / or a center of gravity of the heavy mass (5) are arranged and in each case the first spring sub-element (11) extends away from the center of gravity in the direction of the lever element (10).

Acceleration sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the first spring sub-element (11) is connected to the lever sub-element (10) at a first connection point (21) and the second spring sub-element (12) is connected to a second connection point (22) is connected to the lever part element (10) and the third spring part element (13) is connected to the lever part element (10) at a third connection point (23), a lever length (24) between the first and second connection point (21, 22) is equal to a lever length (25) between the first and third connection point (21, 23).

Acceleration sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the acceleration sensor (1) has a substrate-fixed first electrode arrangement (15), wherein the first electrode arrangement (15) has a first electrode (31) for the detection of Z-deflections of the light mass (6) and a second electrode (32) for detecting Z-deflections of the heavy mass (5), wherein the first electrode (31) is arranged with respect to the XY plane in the vicinity of a center of gravity of the light mass (6) and / or the second electrode (32) is arranged with respect to the XY plane in the vicinity of a center of gravity of the heavy mass (5).

Acceleration sensor (1) Claim 9 , wherein the first electrode arrangement (15) with respect to the XY plane is symmetrical with respect to rotations of 90 ° or has two axes of symmetry (8, 8 ') with respect to the XY plane, both axes of symmetry (8, 8') at a 45 ° angle with the X direction (2) and the Y direction (3).

Acceleration sensor (1) Claim 9 or 10 , wherein the first electrode arrangement (15) is arranged with respect to the XY plane in the vicinity of a center of gravity of the light mass (6) and / or a center of gravity of the heavy mass (5) and the anchor points (7) of the four lever-spring elements (10) adjoin the first electrode arrangement (15).

Acceleration sensor (1) according to one of the preceding claims, wherein the acceleration sensor (1) has a second electrode arrangement fixed to the substrate, the second electrode arrangement having a third electrode (33) for detecting X-deflections of the light mass (6), a fourth electrode (34) ) for the detection of X-deflections of the heavy mass (5), a fifth electrode (35) for the detection of Y-deflections of the light mass (6) and a sixth electrode (36) for the detection of Y-deflections of the heavy mass (5 ), the second electrode arrangement having a 90 ° rotational symmetry with respect to the XY plane.