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Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen z-Inertialsensor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen z-Inertialsensors.
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Stand der Technik
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US 2014/0338450 A1 offenbart eine Versteifungsstruktur für einen mikromechanischen z-Inertialsensor, die aber nachteilig in Richtung der eigentlichen Detektionsbewegung eher steif ist.
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Im einem bekannte Herstellungsprozess werden Torsionsfedern üblicherweise in Form einer i-Feder ausgebildet, wobei eine dünne Funktionsschicht unten und eine teilweise verbundene dickere Funktionsschicht darüber im Querschnitt ein umgekehrtes kleines „i“ bilden. Die Designparameter Federbreite und -länge erlauben die Einstellung der Torsionssteifigkeit der Feder, die z.B. relevant für die Empfindlichkeit des Sensors ist. Die Torsionssteifigkeit und Biegesteifigkeit zeigen dabei unterschiedliche Abhängigkeiten von den Designparametern. Die Torsionssteifigkeit ist proportional zu Breite^3 und invers proportional zu Länge, während die Biegesteifigkeit proportional zu Breite^3 und invers proportional zur Länge^3 ist.
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Ein möglichst großes Verhältnis Biegesteifigkeit zu Torsionssteifigkeit lässt sich durch eine kurze Feder realisieren. Dabei kommt man in der Realität aber recht schnell an Grenzen, da bei der Einstellung der erforderlichen Torsionssteifigkeit eine Mindestbreite der Feder nicht unterschritten werden darf.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, einen mikromechanischen z-Inertialsensor unter Vermeidung der oben genannten Nachteile bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem mikromechanischen z-Inertialsensor, aufweisend:
- - ein an eine Torsionsfeder mit einem zentralen Aufhängungselement angebundenes wippenartiges seismisches Massenelement; wobei
- - an das zentrale Aufhängungselement ein Versteifungselement angebunden ist, das sich über eine Länge des seismischen Massenelements erstreckt;
- - wobei das Versteifungselement zwei voneinander separierte Blattfederelemente aufweist.
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Auf diese Weise wirkt eine Versteifung hauptsächlich in-plane (xy-Ebene) des mikromechanischen z-Inertialsensors, sodass eine Detektionsbewegung des mikromechanischen z-Inertialsensors vorteilhaft möglichst wenig beeinflusst ist. Unterstützt ist dadurch neben der aufgrund der geringen Federlänge bewirkten Versteifung des mikromechanischen z-Inertialsensors auch eine zusätzliche Möglichkeit zur Verschiebung von in-plane-Moden zu höheren Frequenzen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen z-Inertialsensors, aufweisend die Schritte:
- - Bereitstellen eines an eine Torsionsfeder mit einem zentralen Aufhängungselement angebundenen wippenartigen seismischen Massenelements; wobei
- - an das zentrale Aufhängungselement ein Versteifungselement angebunden wird, das sich über eine Länge des seismischen Massenelements erstreckt; wobei
- - das Versteifungselement mit zwei voneinander separierten Blattfederelementen ausgebildet wird.
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Bevorzugte Weiterbildungen des mikromechanischen z-Inertialsensors sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Torsionsfeder in zwei voneinander separierten Funktionsschichten ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das vorgeschlagene Versteifungselement mit herkömmlichen Prozesstechniken auf einfache Weise bereitgestellt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors zeichnet sich dadurch aus, dass das Versteifungselement in einer ersten Funktionsschicht ausgebildet ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Blattfederelementen pro Wippenfläche wenigstens ein Querbalken ausgebildet ist. Vorteilhaft kann auf diese Weise die Versteifungswirkung des Versteifungselements noch weiter verstärkt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement in Endabschnitten jeweils eine U-Feder aufweist. Dadurch wird eine Detektionscharakteristik in z-Richtung weicher, wobei aber in der xy-Ebenen nahezu die gleiche Steifigkeit erreicht werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass das Versteifungselement eine Höhe von ca. 5% bis ca. 20% einer Torsionsfederhöhe aufweist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des mikromechanischen z-Inertialsensors ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der Blattfedern das jeweils ca. 0.5-bis ca. Fünffache einer Torsionsfederbreite beträgt.
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Vorteilhaft werden auf diese Weise Dimensionierungsparameter angewendet, die sich für das vorgeschlagene Versteifungselement als besonders vorteilhaft herausgestellt haben.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit halber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugszeichen eingezeichnet sind.
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Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den mikromechanischen z-Inertialsensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum Herstellen des mikromechanischen z-Inertialsensors ergeben und umgekehrt.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht auf einen konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor;
- 2 eine Schnittansicht der Anordnung von 1;
- 3 eine Schnittansicht der Torsionsfeder von Anordnung in 1;
- 4 eine Draufsicht auf den konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor von 1;
- 5 eine Ansicht von unten auf den konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor von 1;
- 6 eine Draufsicht auf einen weiteren konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor;
- 7 eine Ansicht von unten auf den weiteren konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor von 6;
- 8 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors;
- 9 eine weitere Schnittansicht durch die erste Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensor;
- 10 eine weitere Schnittansicht durch die erste Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors;
- 11 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors;
- 12 eine Ansicht von unten auf die zweite Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors;
- 13 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors;
- 14 eine Ansicht von unten auf die dritte Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors;
- 15 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines vorgeschlagenen mechanischen z-Inertialsensors;
- 16 eine Ansicht von unten auf die vierte Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors;
- 17 eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors;
- 18 eine Ansicht von unten auf die fünfte Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors; und
- 19 einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Im Folgenden wird zur Beschreibung von geometrischen Verhältnisse davon ausgegangen, dass sich eine Substratebene des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors in der xy-Ebene erstreckt und dass ein seismisches Massenelement 10 des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors für Messzwecke in z-Richtung auslenkbar ist.
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Vorgeschlagen werden Versteifungsstrukturen für einen mikromechanischen z-Inertialsensor, die vorteilhaft einen nur geringen Einfluss auf eine eigentliche Torsionssteifigkeit haben, gleichzeitig aber eine möglichst hohe Steifigkeit gegen Rotations- oder Linearbewegungen in der xy-Ebene des z-Inertialsensors aufweisen.
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Vorteilhaft ist dadurch unterstützt, dass der vorgeschlagene mikromechanische z-Inertialsensor möglichst empfindlich auf zu messende Beschleunigungen in z-Richtung ist. Erreicht werden kann dies insbesondere durch eine geeignete Auslegung von Geometrieparametern der Torsionsfeder.
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Vorteilhaft reagiert der vorgeschlagene mikromechanische z-Inertialsensor bei Beschleunigungen in Querrichtung möglichst unempfindlich, wodurch elektrische Fehlsignale vorteilhaft möglichst gering gehalten werden können.
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1 zeigt eine Draufsicht auf einen konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor 100. Man erkennt ein wippenartig ausgebildetes seismisches Massenelement 10, welches an eine Torsionsfeder 11 mit einem zentralen Aufhängungselement 12 angebunden ist.
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Bei Beschleunigung in z-Richtung kommt es aufgrund der Masseasymmetrie des seismischen Massenelements 10 zu einer Torsionsbewegung des seismischen Massenelements 10 um die y-Achse der Torsionsfeder 11.
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Bei einer Beschleunigungskraft auf das seismische Massenelement 10 verkippt dieses um die Torsionsachse 11 und kann dadurch eine Beschleunigung in z-Richtung detektieren.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht durch den mikromechanischen z-Inertialsensor von 1 entlang einer Längsachse der Torsionsfeder 11. Man erkennt, dass das seismische Massenelement 10 in zwei Funktionsschichten ausgebildet ist, wobei eine erste Funktionsschicht 1 unterhalb einer zweiten Funktionsschicht 2 ausgebildet ist.
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In einem bekannten Herstellungsprozess werden derartige Torsionsfedern 11 üblicherweise in Form einer i-Feder ausgebildet, wie in 3 angedeutet. Die dünne erste Funktionsschicht 1 und die teilweise verbundene dickere, darüber angeordnete zweite Funktionsschicht 2 bilden im Querschnitt ein umgekehrtes kleines „i“. Die Designparameter Federbreite und -länge erlauben die Einstellung der Torsionssteifigkeit der Torsionsfeder 11, was z.B. relevant ist für die Empfindlichkeit des Inertialsensors. Die Torsionssteifigkeit und Biegesteifigkeit zeigen dabei unterschiedliche Abhängigkeiten von den Designparametern. Die Torsionssteifigkeit ist proportional zu einer Breite^3 und invers proportional zu einer Länge der Torsionsfeder 11, während eine Biegesteifigkeit proportional zur Breite^3 und invers proportional zur Länge^3 der Torsionsfeder 11 ist.
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Die 4, 5 deuten an, welche Anteile des mikromechanischen z-Inertialsensors 100 jeweils in welcher Funktionsschicht 1, 2 ausgebildet sind.
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4 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht auf den konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor 100.
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5 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Ansicht von unten auf den konventionellen mikromechanischen z-Inertialsensor 100.
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Ein möglichst großes Verhältnis Biegesteifigkeit zu Torsionssteifigkeit lässt sich durch eine kurze Torsionsfeder 11 realisieren. Dabei kommt man in der Realität aber recht schnell an Grenzen, da bei der Einstellung der erforderlichen Torsionssteifigkeit eine Mindestbreite der Torsionsfeder 11 nicht unterschritten werden darf.
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Vorgeschlagen wird eine Integration von zusätzlichen, von der eigentlichen Torsionsfeder 11 unabhängigen Versteifungsstrukturen, die eine Erhöhung der Federsteifigkeit gegen Bewegungen in der xy-Ebene anstreben. Ein mikromechanischer z-Inertialsensor, der mit einer derartigen zusätzlichen Versteifungsstruktur versehen wird, ist vorteilhaft unempfindlicher auf statische/dynamische Störbeschleunigungen in x-/y-Richtung.
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6 zeigt eine Draufsicht auf einen weiteren konventionellen z-Inertialsensor mit einem herkömmlichen Versteifungselement 20. Die eigentliche Detektionsbewegung wird mittels der Versteifungselements 20 leicht versteift, die dazu orthogonalen Bewegungen werden im Verhältnis dazu stärker versteift. Durch ein breiteres Versteifungselement 20 wird die Versteifung für in-plane-Bewegungen deutlich stärker, allerdings wird dadurch auch die eigentliche Detektionsbewegung deutlich versteift.
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7 zeigt den herkömmlichen mikromechanischen z-Inertialsensor 100 von 6 in einer Ansicht von unten. Angedeutet ist, welche Anteile des seismischen Massenelements 10, der Torsionsfeder 11, des zentralen Aufhängungselements 12 in welcher Funktionsschicht 1, 2 ausgebildet sind.
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8 zeigt eine Längsquerschnittsansicht durch eine erste Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Man erkennt, dass das Versteifungselement 20 in der ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet ist. Das Versteifungselement 20 umfasst dabei zwei parallel ausgebildete Blattfedern 20a, 20b. Insbesondere eine rotatorische in-plane-Störbewegung kann im Vergleich zu den beiden anderen Bewegungsformen deutlich versteift sein.
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9 zeigt eine Querschnittsansicht X-X der ersten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Man erkennt die beiden Blattfedern 20a, 20b des Versteifungselements 20, die jeweils in der ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet sind.
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10 zeigt eine Querschnittsansicht Y-Y der ersten Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Auch hier erkennt man, dass die beiden Blattfedern 20a, 20b in der ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet sind.
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11 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht auf die erste Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Man erkennt, dass das Versteifungselement 20 mit den beiden Blattfedern 20a, 20b in der ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet ist.
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12 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Ansicht von unten auf die erste Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Auch hier erkennt man die Blattfedern 20a, 20b des Versteifungselements 20, die beide jeweils in ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet sind und sich zentral über die Länge des seismischen Massenelements 10 erstrecken und im Wesentlichen parallel ausgebildet sind.
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Es hat sich herausgestellt, dass mittels des vorgeschlagenen Versteifungselements 20 die eigentliche Detektionsbewegung und die lineare Störbewegung kaum beeinflusst sind.
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Zum Zwecke einer weiteren Versteifung gegen in-plane-Rotation können ein oder mehrere Querbalken 21 zwischen den beiden Blattfedern 20a, 20b angeordnet sein.
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13 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Man erkennt, dass bei dieser Variante pro Wippenhälfte nunmehr auch mindestens ein Querbalken 21 orthogonal zwischen den beiden Blattfedern 20a, 20b angeordnet ist.
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14 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Ansicht von unten auf zweite Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Erkennbar ist, dass die Querbalken 21 in ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet sind und sich orthogonal zwischen den beiden Blattfedern 20a, 20b erstrecken. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine weitere Versteifung des Versteifungselements 20 unterstützt.
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15 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen -Inertialsensors 100. Man erkennt, dass bei dieser Variante weitere Querbalken 21 in ersten Funktionsschicht 1 orthogonal zwischen den beiden Blattfedern 20a, 20b ausgebildet sind.
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16 zeigt den mikromechanischen z-Inertialsensor 100 in einer nicht maßstabsgetreuen Ansicht von unten.
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17 und 18 zeigen jeweils nicht maßstäbliche Ansichten (17: Draufsicht, 18: Unteransicht) einer weitere Realisierungsform des vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100. Man erkennt, dass bei dieser Variante eine oder mehrere U-Federn 22 in die Blattfedern 20a, 20b in die Endabschnitte des Versteifungselements 20 mit den Blattfedern 20a, 20b integriert sind.
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Position, Länge und Breite der U-Feder 22 sind Parameter, die zu einer optimalen Einstellung der Steifigkeit für die drei relevanten Belastungsrichtungen optimiert werden können. Es hat sich herausgestellt, dass diese Realisierungsform verhältnismäßig weich für die Detektionsbewegung und die lineare Störbewegung, aber steif für die rotatorische Störbewegung ist.
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Das Versteifungselement 20 weist vorzugsweise eine Länge von ca. 0.5 bis ca. 2 Mal der Torsionsfederlänge auf.
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Das Versteifungselement 20 weist ferner vorzugsweise eine Höhe von ca. 5% bis ca. 20% der Torsionsfederhöhe auf.
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Eine Gesamtbreite, d.h. beide Blattfedern 20a, 20b und ein Abstand dazwischen beträgt ca. das 10- bis ca. 20-fache der Torsionsfederbreite.
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Eine Breite der Blattfedern 20a, 20b beträgt vorzugsweise jeweils das ca. 0.5- bis ca. 5-fache der Torsionsfederbreite.
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19 zeigt einen prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen eines vorgeschlagenen mikromechanischen z-Inertialsensors 100.
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In einem Schritt 200 erfolgt ein Bereitstellen eines an eine Torsionsfeder 11 mit einem zentralen Aufhängungselement 12 angebundenen wippenartigen seismischen Massenelements 10.
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In einem Schritt 210 wird an das zentrale Aufhängungselement 12 ein Versteifungselement 20 angebunden, das sich über eine Länge des seismischen Massenelements 10 erstreckt.
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In einem Schritt 220 wird das Versteifungselement 20 mit zwei voneinander separierten Blattfederelementen 20a, 20b ausgebildet.
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Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Reihenfolge der genannten Schritte auch in geeigneter Weise vertauscht werden kann.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0338450 A1 [0002]
