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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Sensorelement.
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Aus dem Stand der Technik sind mikroelektromechanische Systeme (MEMS) bekannt, mit denen eine Bewegung einer seismischen Masse nachgewiesen werden kann. Solche MEMS können beispielsweise als Beschleunigungssensoren oder als Drehratensensoren ausgebildet sein. Üblicherweise wird auf einem Substrat mindestens eine seismische Masse über eine Feder frei beweglich aufgehängt. An der seismischen Masse werden bewegliche Elektroden ausgebildet. Auf dem Substrat werden verankerte Elektroden ausgebildet, die mit den beweglichen Elektroden der seismischen Masse Kapazitäten bilden. Durch eine Messung einer Kapazität kann eine Position der beweglichen Masse senkrecht zu den Elektrodenflächen bestimmt werden. Üblicherweise werden zwei entgegengesetzt arbeitende, symmetrische Elektrodenpaare gegenüber der beweglichen Masse vorgesehen. Aus einem Differenzsignal der dadurch gebildeten Kapazitäten kann über eine elektronische Schaltung eine Positionsänderung oder eine absolute Position der seismischen Masse sehr genau bestimmt werden.
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Nachteilig an einer solchen Anordnung ist beispielsweise, dass das Substrat sich aufgrund eines Lötvorgangs bei der Herstellung des Beschleunigungssensors und aufgrund äußerer Einflüsse verbiegen kann. Da die seismische Masse und die Elektroden nicht an derselben Stelle am Substrat aufgehängt sind, führt diese Verbiegung zu einer Verschiebung der seismischen Masse relativ zu den feststehenden Elektroden, die nicht von einer anliegenden Beschleunigung unterschieden werden kann. Es entsteht also ein unerwünschtes Fehlsignal.
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Um diesen Effekt zu verringern, können beispielsweise Verankerungen der feststehenden Elektroden und der beweglichen Masse möglichst nahe aneinander gerückt werden, was einen Zusatzaufwand und einen zusätzlichen Platzverbrauch erfordert. Beispielsweise werden oft Zusatzschichten, die mit Zusatzkosten verbunden sind, im Prozess notwendig oder es müssen Nichtlinearitäten, bei daraus resultierenden ungünstigen Elektrodenanordnungen in Kauf genommen werden. Da die feststehenden Elektroden gegenüber den beweglichen Elektroden elektrisch isoliert sein müssen, können die Verankerungen nicht beliebig nahe beieinander angeordnet werden. Darüber hinaus müssen die Verankerungen, je näher sie zueinander gerückt werden, umso kleiner gebaut werden und damit auch instabiler ausgelegt werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes mikromechanisches Sensorelement bereitzustellen, das unempfindlich gegenüber einer Substratverbiegung ist und dessen Herstellung einfacher umzusetzen ist. Diese Aufgabe wird durch ein mikromechanisches Sensorelement mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Vorteile der Erfindung
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Ein mikromechanisches Sensorelement weist ein Substrat, eine erste auf dem Substrat beweglich angeordnete Struktur, eine zweiten auf dem Substrat beweglich angeordnete Struktur und eine auf dem Substrat feststehend angeordneten Elektrodenanordnung mit zumindest einer ersten Elektrode auf. Die erste beweglich angeordnete Struktur und die zweite beweglich angeordnete Struktur sind durch zumindest ein Kopplungselement derart miteinander gekoppelt, dass bei einer Auslenkung der ersten beweglich angeordneten Struktur entlang einer parallel zum Substrat verlaufenden ersten Richtung, die zweite beweglich angeordnete Struktur eine Auslenkung entlang einer Gegenrichtung erfährt. Die erste Elektrode weist eine Mehrzahl von Elektrodenflächen auf. Die erste beweglich angeordnete Struktur weist eine Mehrzahl erster beweglicher Elektrodenflächen auf und die zweite beweglich angeordnete Struktur weist eine Mehrzahl zweiter beweglicher Elektrodenflächen auf. Die Elektrodenflächen der substratfesten Elektrodenanordnung und die beweglichen Elektrodenflächen der beweglich angeordneten Strukturen greifen ineinander. Die ersten beweglichen Elektrodenflächen der ersten beweglich angeordneten Struktur und die zweiten beweglichen Elektrodenflächen der zweiten beweglich angeordneten Struktur sind jeweils an von den beweglich angeordneten Strukturen abgewandten Seiten der Elektrodenflächen der substratfesten Elektrodenanordnung angeordnet.
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Durch die Anordnung der Elemente des mikromechanischen Sensorelements sind die erste bewegliche Struktur und die zweite bewegliche Struktur derart miteinander gekoppelt, dass sich die ersten beweglichen Elektrodenflächen und die zweiten beweglichen Elektrodenflächen bei einer anliegenden Beschleunigung mit einer zu den beweglichen Elektrodenflächen senkrechten Komponente in Richtung der substratfesten Elektrodenflächen bewegen, wodurch die wirkende Beschleunigung detektiert werden kann.
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Vorteilhaft ist dabei, dass eine beispielsweise aufgrund einer Verbiegung des Substrats auftretende Verschiebung eines Ankerpunkts der substratfesten Elektrode relativ zu einem Ankerpunkt der beweglichen Strukturen in einer Richtungskomponente senkrecht zu den beweglichen Elektrodenflächen zu einer Vergrößerung eines Abstands zwischen den ersten beweglichen Elektrodenflächen und den feststehenden Elektrodenflächen und zu einer Verringerung eines Abstands zwischen den zweiten beweglichen Elektrodenflächen und den feststehenden Elektrodenflächen führt.
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In einem kapazitiven Summensignal der Elektrode kompensieren sich die Vergrößerungen und Verringerungen der genannten Abstände, wodurch insgesamt keine Kapazitätsänderung erfolgt. Eine durch eine Verbiegung des Substrats oder anderweitig verursachte gleichgerichtete Verschiebung des Ankerpunkte der substratfesten Elektrode relativ zum Ankerpunkt der beweglichen Strukturen in einer Richtungskomponente senkrecht zu den beweglichen Elektrodenflächen kann daher kompensiert werden.
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In einer Ausführungsform sind die Elektrodenflächen der substratfesten Elektrodenanordnung im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung verlaufend angeordnet. Die Elektrodenflächen der substratfesten Elektrodenanordnung sind im Wesentlichen parallel zu den beweglichen Elektrodenflächen verlaufend angeordnet. Vorteilhafterweise kann dadurch eine effektivere Kompensation einer Verschiebung der Ankerpunkte der substratfesten Elektroden relativ zu den Ankerpunkten der beweglichen Massen im kapazitiven Summensignal erfolgen. Das mikromechanische Sensorelement zeichnet sich also durch eine besonders geringe Biegeempfindlichkeit auf. Dadurch kann eine Beschleunigungsmessung mit besonders kleinem Offset erfolgen.
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In einer Ausführungsform ist ein erster Ankerpunkt der am Substrat feststehend angeordneten ersten Elektrode außerhalb eines die erste Elektrode umfassenden Bereichs des Substrats angeordnet. Dadurch kann vorteilhafterweise ebenfalls eine Beschleunigungsmessung mit besonders kleinem Offset erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die erste Elektrode einen ersten Elektrodenabschnitt und einen zweiten Elektrodenabschnitt auf. Der erste Elektrodenabschnitt und der zweite Elektrodenabschnitt sind über einen gemeinsamen ersten Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden. Der erste Elektrodenabschnitt ist der ersten beweglich angeordneten Struktur zugewandt und der zweite Elektrodenabschnitt ist der zweiten beweglich angeordneten Struktur zugewandt.
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In einer Ausführungsform sind die Kopplungselemente als Hebel-Feder-Elemente ausgebildet, wobei jedes Hebel-Feder-Element ein Hebel-Teilelement und ein erstes, ein zweites und ein drittes Feder-Teilelement umfasst. Jedes Hebel-Teilelement ist jeweils durch ein erstes Feder-Teilelement und über einen Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden. Jedes Hebel-Teilelement ist jeweils durch ein zweites Feder-Teilelement mit der ersten beweglich angeordneten Struktur und jeweils durch ein drittes Feder- Teilelement mit der zweiten beweglich angeordneten Struktur verbunden. Die Hebel-Feder-Elemente sind derart angeordnet, dass mindestens ein erstes Hebel-Teilelement in einem unausgelenkten Zustand entlang der ersten Richtung verlaufend angeordnet ist und mindestens ein zweites Hebel-Teilelement in einem unausgelenkten Zustand entlang einer zur ersten Richtung senkrecht verlaufenden zweiten Richtung verlaufend angeordnet ist. Die Hebel-Feder-Elemente sind derart ausgestaltet, dass sich das erste Hebel-Teilelement im Fall einer entlang der zweiten Richtung wirkenden Beschleunigung in einer von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene verkippt und sich das zweite Hebel-Teilelement im Fall einer entlang der ersten Richtung wirkenden Beschleunigung in der Ebene verkippt. Die substratfeste Elektrodenanordnung weist zumindest die erste Elektrode zur Detektion von Auslenkungen der ersten beweglich angeordneten Struktur und der zweiten beweglich angeordneten Struktur entlang der ersten Richtung und zumindest eine zweite Elektrode zur Detektion von Auslenkungen der ersten beweglich angeordneten Struktur und der zweiten beweglich angeordneten Struktur entlang der zweiten Richtung auf.
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In einer Ausführungsform weisen die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils einen ersten Elektrodenabschnitt und einen zweiten Elektrodenabschnitt auf, Der erste Elektrodenabschnitt und der zweite Elektrodenabschnitt der ersten Elektrode sind über einen gemeinsamen ersten Ankerpunkt und der erste Elektrodenabschnitt und der zweite Elektrodenabschnitt der zweiten Elektrode sind über einen gemeinsamen zweiten Ankerpunkt mit dem Substrat verbunden. Die ersten Elektrodenabschnitte sind jeweils der ersten beweglich angeordneten Struktur zugewandt und die zweiten Elektrodenabschnitte sind jeweils der zweiten beweglich angeordneten Struktur zugewandt. Die Elektrodenabschnitte weisen jeweils eine Mehrzahl von im Wesentlichen senkrecht zur von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene angeordnete Elektrodenflächen auf. Elektrodenflächen eines ersten Elektrodenabschnitts einer Elektrode sind im Wesentlichen parallel zu Elektrodenflächen eines zweiten Elektrodenabschnitts der Elektrode verlaufend angeordnet. Die erste beweglich angeordnete Struktur weist eine Mehrzahl erster beweglicher Elektrodenflächen auf und die zweite beweglich angeordnete Struktur weist eine Mehrzahl zweiter beweglicher Elektrodenflächen aufweist. Die Elektrodenflächen der substratfesten Elektrodenanordnung und die beweglichen Elektrodenflächen der beweglich angeordneten Strukturen greifen ineinander und sind im Wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet. Die ersten beweglichen Elektrodenflächen der ersten beweglich angeordneten Struktur und die zweiten beweglichen Elektrodenflächen der zweiten beweglich angeordneten Struktur sind jeweils an von den beweglich angeordneten Strukturen abgewandten Seiten der Elektrodenflächen der substratfesten Elektrodenanordnung angeordnet.
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In einer Ausführungsform weist das mikromechanische Sensorelement eine am Substrat feststehend angeordnete dritten Elektrode auf. Die dritte Elektrode ist derart zu den beiden beweglich angeordneten Strukturen angeordnet, dass ein Abstand zwischen der dritten Elektrode und den beweglich angeordneten Strukturen bei einer Auslenkung der beweglich angeordneten Strukturen entlang der ersten Richtung kleiner ist als ein Abstand zwischen der ersten Elektrode und den beweglich angeordneten Strukturen. Vorteilhafterweise kann eine differentielle Auswertung von kapazitiven Summensignalen der Elektroden erfolgen. Dabei kann beispielsweise ein Differenzsignal zwischen den kapazitiven Summensignalen der ersten und der dritten Elektrode ermittelt werden.
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In einer Ausführungsform sind die erste beweglich angeordnete Struktur und die zweite beweglich angeordnete Struktur durch vier Hebel-Feder-Elemente miteinander und an das Substrat gekoppelt. Die Elektrodenanordnung umfasst vier Elektroden mit jeweils einem der ersten beweglich angeordneten Struktur zugewandten ersten Elektrodenabschnitt und einem der zweiten beweglich angeordneten Struktur zugewandten zweiten Elektrodenabschnitt, die jeweils über gemeinsame Ankerpunkte mit dem Substrat verbunden sind, Die Elektrodenabschnitte weisen jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenflächen auf. Die Elektrodenflächen der ersten Elektrode und einer dritten Elektrode sind im Wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet und Elektrodenflächen einer zweiten Elektrode und einer vierten Elektrode im Wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet sind, Die Elektrodenflächen der substratfesten Elektrodenanordnung und die bewegliche Elektrodenflächen der beweglich angeordneten Strukturen greifen ineinander und sind im Wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet. Die erste beweglich angeordnete Struktur weist eine Mehrzahl dritter beweglicher Elektrodenflächen auf und die zweite beweglich angeordnete Struktur weist eine Mehrzahl vierter beweglicher Elektrodenflächen auf. Die beweglichen Elektrodenflächen der ersten beweglich angeordneten Struktur und die beweglichen Elektrodenflächen der zweiten beweglich angeordneten Struktur sind jeweils an von den beweglich angeordneten Strukturen abgewandten Seiten der Elektrodenflächen der substratfesten Elektrodenanordnung angeordnet. Die Feder-Hebel-Elemente sind derart ausgebildet, dass sich die beweglich angeordneten Strukturen bei einer Auslenkung in Richtung der ersten Elektrode und/oder in Richtung der zweiten Elektrode von der dritten Elektrode und/oder von der vierten Elektrode weg bewegen.
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Vorteilhafterweise kann eine differentielle Auswertung von kapazitiven Summensignalen der Elektroden erfolgen. Dabei kann beispielsweise ein erstes Differenzsignal zwischen den kapazitiven Summensignalen der ersten und der dritten Elektrode und ein zweites Differenzsignal zwischen den kapazitiven Summensignalen der zweiten und der vierten Elektrode ermittelt werden.
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In einer Ausführungsform weist die Elektrodenanordnung zumindest eine innerhalb der von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene verlaufende Symmetrieachse auf. Vorteilhafterweise kann durch eine symmetrische Elektrodenanordnung eine effektivere Kompensation einer Verschiebung der Ankerpunkte der substratfesten Elektroden relativ zu den Ankerpunkten der beweglichen Massen im kapazitiven Summensignal erfolgen. Das mikromechanische Sensorelement zeichnet sich also durch eine besonders geringe Biegeempfindlichkeit auf. Dadurch kann eine Beschleunigungsmessung mit besonders kleinem Offset erfolgen.
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In einer Ausführungsform weist eine Anordnung aus den beiden beweglich angeordneten Strukturen und der Elektrodenanordnung zumindest eine innerhalb der von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene verlaufende Symmetrieachse auf. Vorteilhafterweise kann durch eine symmetrische Anordnung der beweglichen Strukturen und der Elektrodenanordnung eine effektivere Kompensation einer Verschiebung der Ankerpunkte der substratfesten Elektroden relativ zu den Ankerpunkten der beweglichen Strukturen im kapazitiven Summensignal erfolgen.
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In einer Ausführungsform weist eine Anordnung der Ankerpunkte zumindest eine innerhalb der von der ersten Richtung und der zweiten Richtung aufgespannten Ebene verlaufende Symmetrieachse auf. Vorteilhafterweise kann dadurch die Biegeempfindlichkeit des mikromechanischen Sensorelements reduziert sein.
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In einer Ausführungsform sind die beweglich angeordneten Strukturen derart angeordnet und miteinander gekoppelt, dass im Fall einer senkrecht zu den Elektrodenflächen wirkenden Beschleunigung Auslenkungsamplituden der beweglich angeordneten Strukturen gleich groß sind. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Kompensation im kapazitiven Summensignal effizienter erfolgen.
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In einer Ausführungsform sind die Elektroden jeweils zumindest abschnittsweise in Bereichen der Feder-Hebel-Elemente angeordnet. Vorteilhafterweise kann der Beschleunigungssensor dadurch besonders kompakt ausgebildet sein.
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In einer Ausführungsform sind Ankerpunkte der beweglich angeordneten Strukturen und der Elektrodenanordnung in einer Umgebung eines Schwerpunkts des mikromechanischen Sensorelements angeordnet. Bei dieser Variante sind die Ankerpunkte nahe des Schwerpunkts und nah beieinander angeordnet. Dadurch kann eine Verschiebung der Ankerpunkte der substratfesten Elektroden relativ zu den Ankerpunkten der beweglichen Strukturen klein gehalten werden, wodurch die Biegeempfindlichkeit des mikromechanischen Sensorelements reduziert sein kann.
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Figurenliste
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Die oben beschriebenen Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden klarer und verständlicher im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
- 1: ein mikromechanisches Sensorelement in einer Draufsicht;
- 2: eine detaillierte Darstellung des mikromechanischen Sensorelements der 1 im Bereich eines Hebel-Feder-Elements;
- 3: ein Funktionsprinzip des mikromechanischen Sensorelements der 1;
- 4: das mikromechanische Sensorelement der 1 mit einer Verbiegung eines Substrats; und
- 5: ein weiteres mikromechanisches Sensorelement in einer Draufsicht.
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Beschreibung
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1 zeigt ein mikromechanisches Sensorelement 1 in einer schematischen Draufsicht. Das mikromechanisches Sensorelement 1 ist dazu ausgebildet, auftretende Beschleunigungen zumindest entlang einer ersten Richtung 2 und optional zusätzlich auch entlang einer senkrecht zur ersten Richtung 2 verlaufenden zweiten Richtung 3 zu detektieren. Das mikromechanisches Sensorelement 1 kann in diesem Fall auch als XY-Beschleunigungssensor 1 bezeichnet werden.
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Das mikromechanisches Sensorelement 1 weist ein Substrat auf, das in 1 nicht gezeigt ist. Eine von den beiden Richtungen 2, 3 aufgespannte Ebene entspricht einer Haupterstreckungsebene des Substrats. Die in 1 gezeigten Elemente sind auf und/oder über dem Substrat angeordnet und können durch Halbleiterfertigungstechniken hergestellt werden. Die in 1 gezeigten Elemente können Beispielsweise Silizium aufweisen.
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Das mikromechanisches Sensorelement 1 umfasst eine erste auf dem Substrat beweglich angeordnete Struktur 5 und eine zweite auf dem Substrat beweglich angeordnete Struktur 6. Beispielhaft ist die erste beweglich angeordnete Struktur 5 als schwere seismische Masse 5 ausgebildet. Ebenso beispielhaft ist die zweite beweglich angeordnete Struktur 6 als leichte seismische Masse 6 ausgebildet. Dies kann jedoch auch umgekehrt gelten. In der nachfolgenden Beschreibung wird stets angenommen, dass die erste Struktur5 als schwere Masse 5 ausgebildet ist und, dass die zweite Struktur 6 als leichte Masse 6 ausgebildet ist.
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Die schwere Masse 5 und die leichte Masse 6 sind beweglich ausgebildet. Das mikromechanisches Sensorelement 1 kann alternativ eine beliebige gerade Anzahl von beweglichen Massen 5, 6 aufweisen. Die leichte Masse 6 weist zwei Segmente auf, die über einen Steg 16 miteinander verbunden sind. Der Steg 16 ist über einen Schwerpunkt 17 des Beschleunigungssensors 1 hinweg angeordnet. Alternativ ist es denkbar, die beiden Segmente der leichten Masse 6 nicht über Schwerpunkt 17 hinweg miteinander zu verbinden. Beispielsweise kann die leichte Masse 6 zwei separate Segmente aufweisen, die nicht über den Steg 16 miteinander verbunden sind. Die Segmente müssen auch nicht notwendigerweise miteinander verbunden sein. Stattdessen können die separaten Segmente beispielsweise zusammen die Funktion der leichten Masse 6 übernehmen. Die schwere Masse 5 umfasst ebenfalls zwei Segmente, die jedoch nicht über den Schwerpunkt 17 hinweg miteinander verbunden sind, sondern stattdessen mit einem, die leichte Masse 6 umgebenden Rahmen miteinander verbunden sind. Die schwere Masse 5 und die leichte Masse 6 können auch eine andere Anzahl von Segmenten aufweisen. Eine Segmentierung der Massen 5, 6 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die schwere Masse 5 kann beispielsweise auch lediglich ein Segment aufweisen.
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Die schwere Masse 5 und die leichte Masse 6 sind durch vier Kopplungselemente 9, die beispielhaft als Hebel-Feder-Elemente 9 ausgebildet sind, miteinander und an das Substrat gekoppelt, wodurch die beiden Massen 5, 6 relativ zueinander und relativ zum Substrat auslenkbar ausgebildet sind. Die Hebel-Feder-Elemente 9 sind also als Aufhängungen für die beweglichen Massen 5, 6 vorgesehen. Der Beschleunigungssensor 1 kann auch eine andere Anzahl von Kopplungselementen 9 aufweisen. Die leichte Masse 6 und die schwere Masse 5 sind jedoch zumindest durch zwei Kopplungselemente 9 miteinander und an das Substrat beweglich gekoppelt. Die Hebel-Feder-Elemente 9 sind derart angeordnet, dass mindestens ein erstes Hebel-Teilelement 10 in einem unausgelenkten Zustand entlang der ersten Richtung 2 verlaufend angeordnet ist und mindestens ein zweites Hebel-Teilelement 10 in einem unausgelenkten Zustand entlang der zweiten Richtung 3 verlaufend angeordnet ist.
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Jedes Hebel-Feder-Element 9 umfasst ein Hebel-Teilelement 10, ein erstes Feder-Teilelement 11, ein zweites Feder-Teilelement 12 und ein drittes Feder-Teilelement 13. Die ersten Feder-Teilelemente 11 sind beispielhaft mittig der Hebel-Teilelemente 10 angeordnet und mit diesen verbunden. Dadurch sind die Hebel-Feder-Elemente 9 symmetrisch ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Hebel-Feder-Elemente 9 koppeln in folgender Weise die beiden Massen 5, 6 aneinander und an das Substrat: Jedes Hebel-Teilelement 10 ist jeweils durch ein erstes Feder-Teilelement 11 und über einen Ankerpunkt 7 mit dem Substrat verankert bzw. verbunden. Das erste Feder-Teilelement 11 dient als Torsions- und als biegeweiche Feder. Ferner ist an einem ersten Ende eines Hebel-Teilelements 10 ein zweites Feder-Teilelement 12 angeordnet, das mit der schweren Masse 5 gekoppelt bzw. verbunden ist. An einem zweiten Ende des Hebel-Teilelements 10 ist ein drittes Feder-Teilelement 13 angeordnet, das mit der leichten Masse 6 gekoppelt ist. Die zweiten und dritten Feder-Teilelemente 12, 13 dienen ebenfalls jeweils als Torsions- und als biegeweiche Federn.
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Das mikromechanische Sensorelement 1 weist eine substratfeste Elektrodenanordnung 15 mit zumindest einer ersten Elektrode 31 zur Detektion von Auslenkungen der leichten Masse 6 und der schweren Masse 5 entlang der ersten Richtung 2 und optional mit zumindest einer zweiten Elektrode 32 zur Detektion von Auslenkungen der leichten Masse 6 und der schweren Masse 5 entlang der zweiten Richtung 3 auf. Da das mikromechanische Sensorelement 1 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der 1 insgesamt vier Kopplungselemente 9 aufweist, weist die Elektrodenanordnung 15 entsprechend vier Elektroden 31, 32, 31', 32' auf, wobei eine dritte Elektrode 31' zur Detektion von Auslenkungen der leichten Masse 6 und der schweren Masse 5 entlang der ersten Richtung 2 vorgesehen ist und eine zweite Elektrode 32' zur Detektion von Auslenkungen der leichten Masse 6 und der schweren Masse 5 entlang der zweiten Richtung 3 vorgesehen ist. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Elektroden 31, 31', 32, 32' jeweils vollständig im Bereich der Hebel-Feder-Elemente 9 angeordnet. Dadurch ist das mikromechanische Sensorelement 1 besonders kompakt ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Elektroden 31, 31', 32, 32' können beispielsweise auch jeweils zumindest abschnittsweise in Bereichen der Feder-Hebel-Elemente 9 angeordnet sein.
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Die erste Elektrode 31 weist einen ersten Elektrodenabschnitt 26 und einen zweiten Elektrodenabschnitt 27 auf. Die zweite Elektrode 32 weist einen ersten Elektrodenabschnitt 28 und einen zweiten Elektrodenabschnitt 29 auf. Der erste Elektrodenabschnitt 26 und der zweite Elektrodenabschnitt 27 der ersten Elektrode 31 sind über einen gemeinsamen ersten Ankerpunkt 33 mit dem Substrat verbunden. Der erste Elektrodenabschnitt 28 und der zweite Elektrodenabschnitt 29 der zweiten Elektrode 32 sind über einen gemeinsamen zweiten Ankerpunkt 34 mit dem Substrat verbunden. Die ersten Elektrodenabschnitte 26, 28 sind jeweils der schweren Masse 5 zugewandt und die zweiten Elektrodenabschnitte 27, 29 sind jeweils der leichten Masse 6 zugewandt.
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Entsprechend weist die dritte Elektrode 31' einen ersten Elektrodenabschnitt 26' und einen zweiten Elektrodenabschnitt 27' auf. Die vierte Elektrode 32' weist ebenfalls einen ersten Elektrodenabschnitt 28' und einen zweiten Elektrodenabschnitt 29' auf. Der erste Elektrodenabschnitt 26' und der zweite Elektrodenabschnitt 27' der dritten Elektrode 31' sind über einen gemeinsamen dritten Ankerpunkt 33' mit dem Substrat verbunden. Der erste Elektrodenabschnitt 28' und der zweite Elektrodenabschnitt 29' der vierten Elektrode 32' sind über einen gemeinsamen vierten Ankerpunkt 34' mit dem Substrat verbunden. Die ersten Elektrodenabschnitte 26', 28' sind jeweils der schweren Masse 5 zugewandt und die zweiten Elektrodenabschnitte 27', 29' sind jeweils der leichten Masse 6 zugewandt.
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Das mikromechanische Sensorelement 1 weist beispielhaft eine Mehrzahl von Symmetrieachsen 4, 4', 8, 8' auf. Beispielsweise weist die Elektrodenanordnung 15 vier innerhalb der von der ersten Richtung 2 und der zweiten Richtung 3 aufgespannten Ebene verlaufende Symmetrieachse 4, 4', 8, 8' auf. Eine erste Symmetrieachse 4 verläuft parallel zur ersten Richtung 2 und durch den Schwerpunkt 17 des Beschleunigungssensors 1. Eine zweite Symmetrieachse 4' verläuft parallel zur zweiten Richtung 3 und durch den Schwerpunkt 7 des Beschleunigungssensors 17. Eine dritte Symmetrieachse 8 verläuft in einem Winkel von 45° zur ersten und zweiten Richtung 2, 3 und durch den Schwerpunkt 17. Eine vierte Symmetrieachse 8' verläuft in einem Winkel von 45° zur ersten und zweiten Richtung 2, 3 durch den Schwerpunkt 17 und verläuft senkrecht zur dritten Symmetrieachse 8. Eine weitere Symmetrie des mikromechanischen Sensorelements 1 besteht darin, dass eine Anordnung aus den beiden Massen 5, 6 und der Elektrodenanordnung 15 symmetrisch bezüglich der dritten und der vierten Symmetrieachse 8, 8' ist. Eine Anordnung der Ankerpunkte 7, 33, 34, 33', 34' ist bezüglich aller vier Symmetrieachsen 4, 4', 8, 8' symmetrisch. Das mikromechanische Sensorelement 1 muss jedoch nicht notwendigerweise Symmetrieachsen 4, 4', 8, 8' aufweisen.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teils des mikromechanischen Sensorelemenst 1 im Bereich eines Hebel-Feder-Elements 9. Beispielhaft zeigt 2 lediglich einen in 1 gekennzeichneten Bereich 14, innerhalb dessen die zweite Elektrode 32 angeordnet ist. Aus den oben beschriebenen Symmetriebetrachtungen ergeben sich die im Folgenden beschriebenen Merkmale des mikromechanischen Sensorelements 1 auch für die übrigen Hebel-Feder-Elemente 9 bzw. Elektroden 31, 31', 32'
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Die Elektrodenabschnitte 26, 27, 28, 29 der ersten und zweiten Elektrode 31, 32 weisen jeweils eine Mehrzahl von im Wesentlichen senkrecht zur von der ersten Richtung 2 und der zweiten Richtung 3 aufgespannten Ebene angeordnete Elektrodenflächen 19 auf. Die Elektrodenflächen 19 eines ersten Elektrodenabschnitts 26, 28 einer Elektrode 31, 32 sind im Wesentlichen parallel zu Elektrodenflächen 19 eines zweiten Elektrodenabschnitts 27, 29 der Elektrode 31, 32 verlaufend angeordnet. Die schwere Masse 5 weist eine Mehrzahl erster beweglicher Elektrodenflächen 20 auf und die leichte Masse 6 weist eine Mehrzahl zweiter beweglicher Elektrodenflächen 30 auf. Die Elektrodenflächen 19 der substratfesten Elektrodenanordnung 15 und die beweglichen Elektrodenflächen 20, 30 der Massen 5, 6 ineinander greifen und sind im Wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet. Dabei bilden die Elektrodenflächen 19 der ersten Elektrodenabschnitte 26, 28 zusammen mit den ersten beweglichen Elektrodenflächen 20 der schweren Masse 5 Kapazitäten. Die Elektrodenflächen 19 der zweiten Elektrodenabschnitte 27, 29 bilden zusammen mit den zweiten beweglichen Elektrodenflächen 30 der leichten Masse 6 Kapazitäten.
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Entsprechend weisen die Elektrodenabschnitte 26', 27', 28', 29' jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenflächen 19' auf. Die Elektrodenflächen 19, 19' der ersten Elektrode 31 und der dritten Elektrode 31' sind im Wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet. Die Elektrodenflächen 19, 19' der zweiten Elektrode 32 und der vierten Elektrode 32' sind ebenfalls im Wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet. Die schwere Masse 5 weist eine Mehrzahl dritter beweglicher Elektrodenflächen 20' auf und die leichte Masse 6 weist eine Mehrzahl vierter beweglicher Elektrodenflächen 30' auf. Die Elektrodenflächen 19 der substratfesten Elektrodenanordnung 15 und die beweglichen Elektrodenflächen 20', 30' der Massen 5, 6 greifen ineinander und sind beispielhaft im Wesentlichen parallel zueinander verlaufend angeordnet. Dabei bilden die Elektrodenflächen 19' der ersten Elektrodenabschnitte 26', 28' der dritten und vierten Elektrode 31', 32' zusammen mit den dritten beweglichen Elektrodenflächen 20' der schweren Masse 5 Kapazitäten. Die Elektrodenflächen 19' der zweiten Elektrodenabschnitte 27', 29' der dritten und vierten Elektrode 31', 32' bilden zusammen mit den vierten beweglichen Elektrodenflächen 30' der leichten Masse 6 Kapazitäten.
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Die Hebel-Feder-Elemente 9 sind derart ausgestaltet, dass sich das erste Hebel-Teilelement 10 im Fall einer entlang der zweiten Richtung 3 wirkenden Beschleunigung in der von der ersten Richtung 2 und der zweiten Richtung 3 aufgespannten Ebene verkippt und sich das zweite Hebel-Teilelement 10 im Fall einer entlang der ersten Richtung 2 wirkenden Beschleunigung in der Ebene verkippt. 3 zeigt das mikromechanische Sensorelement 1, wobei beispielhaft eine Beschleunigung parallel zur zweiten Richtung 3 wirkt. Dadurch verkippen sich die Hebel-Teilelemente 10 der ersten Elektrode 31 und der dritten Elektrode 31'.
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Allgemein wird bei einer Beschleunigung des Substrats die Bewegung über das erste Feder-Teilelement 11 auf das Hebel-Teilelement 10 und über das Hebel-Teilelement 10 und das damit verbundene zweite Feder-Teilelement 12 wiederum auf die schwere Masse 5 übertragen. Die schwere Masse 5 setzt der Beschleunigung aufgrund ihrer Trägheit einen Widerstand entgegen, so dass ein Drehmoment an einem Abschnitt des Hebel-Teilelements 10, der zwischen dem ersten Feder-Teilelement 11 und dem zweiten Feder-Teilelement 12 ausgebildet ist, wirkt. Umgekehrt setzt die leichte Masse 6 der Beschleunigung ebenfalls einen Widerstand entgegen und erzeugt so ein Drehmoment an einem Abschnitt des Hebel-Teilelements 10, der zwischen dem ersten Feder-Teilelement 11 und dem dritten Feder-Teilelement 13 ausgebildet ist, das dem durch die schwere Masse 5 erzeugten Drehmoment entgegengesetzt ist und im Vergleich dazu kleiner ist. Ein resultierendes Nettodrehmoment, das am ersten Verbindungspunkt angreift führt zu einer Verkippung des Hebel-Teilelements 10. Die leichte Masse 6 und die schwere Masse 5 können derart angeordnet und miteinander gekoppelt sein, dass im Fall einer senkrecht zu den Elektrodenflächen 19, 19' wirkenden Beschleunigung Auslenkungsamplituden der Massen 5, 6 gleich groß sind, was nicht notwendigerweise der Fall sein muss.
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Wie in 3 beispielhaft gezeigt ist, sind die Feder-Hebel-Elemente 9 derart ausgebildet, dass sich die schwere und die leichte Masse 5, 6 bei einer Auslenkung in Richtung der ersten Elektrode 31 und/oder in Richtung der zweiten Elektrode 32 von der dritten Elektrode 31' und/oder von der vierten Elektrode 32' weg bewegen. Da in 3 das mikromechanische Sensorelement 1 bei parallel zur zweiten Richtung 3 wirkender Beschleunigung gezeigt ist, bewegen sich die schwere Masse und die leichte Masse 5, 6 in Richtung der zweiten Elektrode 32, aber weg von der vierten Elektrode 34'. Dies führt dazu, dass Abstände zwischen den Elektrodenflächen 19 der substratfesten zweiten Elektrode 32 und den ersten und zweiten beweglichen Elektrodenflächen 20, 30 kleiner werden, während Abstände zwischen den Elektrodenflächen 19' der substratfesten vierten Elektrode 32' und den dritten und vierten beweglichen Elektrodenflächen 20', 30' größer werden. Dadurch kann eine differentielle Auswertung eines Sensorsignals des Beschleunigungssensors 1 erfolgen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Die Feder-Hebel-Elemente 9 müssen nicht derart ausgebildet sein, dass sich die schwere und die leichte Masse 5, 6 bei einer Auslenkung in Richtung der ersten Elektrode 31 und/oder in Richtung der zweiten Elektrode 32 von der dritten Elektrode 31' und/oder von der vierten Elektrode 32' weg bewegen.
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Das Substrat des mikromechanischen Sensorelements 1 kann sich beispielsweise aufgrund eines Lötvorgangs bei der Herstellung des mikromechanischen Sensorelements 1 und/oder aufgrund von äußeren Einflüssen verbiegen. Da die seismischen Massen 5, 6 und die Elektroden 31, 31', 32, 32' nicht an derselben Stelle am Substrat aufgehängt sind, führt diese Verbiegung zu einer Verschiebung der seismischen Massen 5, 6 relativ zu den feststehenden Elektroden 31, 31', 32, 32', die nicht von einer anliegenden Beschleunigung unterschieden werden kann. Um den Nachteil zu überwinden, dass das mikromechanische Sensorelement 1 im Fall einer Verbiegung des Substrats ein Fehlsignal liefert, sind die beweglichen Elektrodenflächen 20, 20' der schweren Masse 5 und die beweglichen Elektrodenflächen 30, 30' der leichten Masse 6 jeweils an von den Massen 5, 6 abgewandten Seiten 35 der Elektrodenflächen 19, 19' der substratfesten Elektrodenanordnung 15 angeordnet.
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4 zeigt den Bereich 14 der zweiten Elektrode 32, wobei sich der zweite Ankerpunkt 34 beispielhaft entlang der zweiten Richtung 3 relativ zu einem mit einem ersten Feder-Teilelement 11 verbundenen Ankerpunkt 7 verschiebt, was mittels eines Pfeils 18 angedeutet ist. Die nachfolgende Beschreibung gilt jedoch auch in analoger Weise für die übrigen Elektroden 31, 31', 32'.
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Da die Elektrodenabschnitte 28, 29 der zweiten Elektrode 32 am gemeinsamen zweiten Ankerpunkt 34 verankert sind, führt eine Verschiebung des zweiten Ankerpunkts 34 relativ zum Ankerpunkt 7 dazu, dass Abstände zwischen den Elektrodenflächen 19 des ersten Elektrodenabschnitts 28 und den ersten beweglichen Elektrodenflächen 20 größer werden, während Abstände zwischen den Elektrodenflächen 19 des zweiten Elektrodenabschnitts 29 und den zweiten beweglichen Elektrodenflächen 30 kleiner werden. In einem kapazitiven Summensignal über die zweite Elektrode 32 kann sich dadurch ein Fehlsignal, das aufgrund einer Verbiegung des Substrats auftritt, vorteilhafterweise herausmitteln. Analog können sich Fehlsignale aufgrund einer Verbiegung des Substrats auf diese Weise auch in kapazitiven Summensignalen der übrigen Elektroden 31, 31', 32' herausmitteln Dadurch kann das mikromechanische Sensorelement 1 weniger empfindlich gegenüber einer Verbiegung des Substrats sein. Eine symmetrische Elektrodenanordnung 15 und/oder eine symmetrische Anordnung der beiden Massen 5, 6 in Kombination mit der Elektrodenanordnung 15 und/oder eine symmetrische Anordnung der Ankerpunkte 7, 33, 34, 33', 34' bieten dabei den Vorteil, dass die Biegeempfindlichkeit des mikromechanischen Sensorelements 1 zusätzlich reduziert werden kann.
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5 zeigt ein weiteres mikromechanisches Sensorelement 1' in einer schematischen Draufsicht. Das weitere mikromechanische Sensorelement 1' weist große Ähnlichkeiten zum mikromechanischen Sensorelement 1 gemäß 1 auf. Identisch oder ähnlich ausgebildete Elemente sind in der nachfolgenden Beschreibung mit denselben Bezugszeichen versehen. Es werden nachfolgend lediglich die Unterschiede erläutert.
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Im Unterschied zum mikromechanischen Sensorelement 1 gemäß 1 sind die Segmente der leichten Masse 6 des weiteren mikromechanischen Sensorelements 1' nicht über den Steg 16 miteinander verbunden. Ferner sind beim weiteren mikromechanischen Sensorelement 1' die Ankerpunkte 7, 33, 33', 34, 34' in einer Umgebung des Schwerpunkts 17 angeordnet. Die ersten Feder-Teilelemente 11 verlaufen jeweils vom Schwerpunkt 17 weg in Richtung eines Hebel-Teilelements 10. Durch die Anordnung der Ankerpunkte 7, 33, 33', 34, 34' nahe am Schwerpunkt 17 des weiteren mikromechanischen Sensorelement 1' kann dessen Biegeempfindlichkeit weiter reduziert sein, da eine Verschiebung der Ankerpunkte 7, 33, 33', 34, 34' relativ zueinander im Fall einer Verbiegung des Substrats abhängig von einem Abstand der Ankerpunkte 7, 33, 33', 34, 34' zueinander ist.
