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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement für Beschleunigungs- oder Drehratensensoren
gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1, sowie einen Sensor zur Messung von Beschleunigungen
oder Drehraten gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 15.
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Sensoren
zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten werden z.B. in Luft- oder Landfahrzeugen
eingesetzt, um Inertialbewegungen und wirkende Inertialkräfte zu messen.
Beispielsweise werden zur Fahrdynamik-Regelung von Kraftfahrzeugen
Sensoren mit hoher Empfindlichkeit benötigt, die geringe Beschleunigungen
messen, wie sie z.B. bei der Änderung
des Fahrzustandes oder der Bewegung des Fahrzeugs im normalen Fahrbetrieb
auftreten. In der Luft- und Raumfahrt werden mikromechanische Beschleunigungssensoren
mit hoher Genauigkeit zur Unterstützung der Positionsbestimmung und
Navigation eingesetzt. Darüberhinaus
gibt es vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten,
beispielsweise in der Medizintechnik, bei Gravitationsmessungen oder
in der Robotik.
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Die
Druckschrift
DE 43
40 664 C2 zeigt beispielsweise einen piezoresistiven Beschleunigungsaufnehmer,
bei dem eine Schweremasse durch zwei Biegebalken mit einem Rahmen
verbunden ist, wobei die Auslenkung der Schweremasse bei einer auf
dem Beschleunigungsaufnehmer wirkenden Beschleunigung durch piezoresistive
Widerstände
gemessen wird.
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Die
Druckschrift
DE 41
26 100 A1 zeigt einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor, bei
dem eine Drehplatte zwischen zwei Torsionsfederbändern in einem Rahmen befestigt
ist.
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Die
Druckschrift
EP 1 172
657 A1 beschreibt einen Beschleunigungsmesser mit einer
in einem Rahmen gelagerten Masse und Mitteln zur Erfassung einer
Rotations- oder Translationsbewegung der Masse in Bezug auf den
Rahmen.
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Federelemente
dienen zur Erfassung einer Torsionsspannung, die auftritt, wenn
eine Beschleunigung in der Rahmenebene auftritt.
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In
der Druckschrift
EP
0 588 371 A2 wird ein Halbleitersensor und ein Verfahren
zu dessen Herstellung beschrieben, bei dem eine besondere Ätztechnik
zum Einsatz kommt.
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Die
Druckschrift
DE 44
06 867 A1 beschreibt einen Beschleunigungsaufnehmer mit
einem inneren Träger,
einem den inneren Träger
umgebendes ringförmiges
Gewicht, und einem das Gewicht umgebenden äußeren Träger. Elastisch verformbare
Brücken verbinden
das Gewicht mit dem inneren und dem äußeren Träger.
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Bei
den bekannten Sensoren und mikromechanischen Bauelementen besteht
das Problem, dass die im Grundmaterial des mikromechanischen Bauelements
vorhandenen Verspannungen sich negativ auf das Sensorverhalten auswirken
können. Diese
Verspannungen, die z.B. auch bei Temperaturänderungen eintreten können, verursachen
in vielen Fällen
eine Offset-Drift, Änderungen
von Federkonstanten oder sogar einen Bruch des Sensorelements. Auch
während
der Herstellung von Mikrostrukturen kann bereits ein mechanischer
Stress eingefroren werden.
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Um
das Problem mechanischer Spannungen in Oberflächenstrukturen mikromechanischer
Bauelemente zu lösen,
wird in der
DE 196
39 946 A1 ein mikromechanisches Bauelement vorgeschlagen,
bei dem eine Oberflächenstruktur
durch mindestens zwei Verankerungsbereiche auf einem Substrat befestigt
ist, wobei die mindestens zwei Verankerungsbereiche einen Abstand
zueinander aufweisen, der gering ist im Vergleich zur lateralen
Ausdehnung der Oberflächenstruktur.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikromechanisches Bauelement
für Beschleunigungs-
oder Drehratensensoren zu schaffen, bei dem Störungen des Sensorverhaltens,
die durch Verspannungen bzw. Stress innerhalb des Bauelements verursacht
werden, reduziert oder vermieden werden können. Weiterhin soll ein Sensor
zur Messung von Beschleunigungen oder Drehraten angegeben werden,
mit dem die o.g. Probleme vermieden werden können.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das mikromechanische Bauelement gemäß Patentanspruch 1 und durch
den Sensor gemäß Patentanspruch
15. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
ist insbesondere für
Beschleunigungs- oder Drehratensensoren geeignet und umfasst eine Mikrostruktur,
die durch elastische Aufhängeelemente
in einem Rahmen gelagert und in einer Richtung senkrecht zur Rahmenebene
auslenkbar ist; wobei die Aufhängeelemente über ein
oder mehrere Federelemente mit dem Rahmen verbunden sind; und wobei
die Federelemente als Kompensationsfedern zur Kompensation von Geometrieänderungen
des Rahmens ausgestaltet sind, die in Richtung der Ebene des Rahmens
verbiegbar sind, so dass Verformungen des Rahmens in der Rahmenebene
von der Mikrostruktur und den Aufhängeelementen mechanisch entkoppelt
sind.
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Durch
das zusätzlich
zum Aufhängeelement vorgesehene
Federelement wird eine Übertragung von
Spannungskräften
auf das oder die Aufhängeelemente
vermieden. Dadurch bleiben die technischen Spezifikationen des mikromechanischen
Bauelements bzw. Sensors, wie beispielsweise die Federsteifigkeit
und die damit verknüpfte
Empfindlichkeit, vom einwirkenden Stress unbeeinflusst. Somit sind die
zur Beschleunigungsmessung benötigten
bewegbaren Elemente, d.h. die Mikrostrukturen mit den Aufhängeelementen,
vom umgebenden bzw. äußeren mechanischen
Stress entkoppelt.
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Durch
die Erfindung werden insbesondere die veränderbaren Stressgrößen nicht
direkt auf das Sensorelement bzw. die auslenkbare Mikrostruktur weitergeleitet,
sondern durch das oder die Federelemente, die zusätzlich zu
den Aufhängeelementen vorgesehen
sind und als Relaxierungsfedern wirken, abgefangen. Insgesamt kann
durch die erfindungsgemäße Lösung die
Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit
und das Offset-Verhalten deutlich verbessert werden. Die Strukturen
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind platzsparend implementierbar und benötigen fast
keine zusätzlichen
Fertigungsschritte, so dass die Verbesserung weitgehend kostenneutral
ist.
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Zwischen
dem Aufhängeelement
und dem Federelement kann ein Zwischenrahmen vorgesehen sein, der
das Aufhängeelement
mit dem Federelement verbindet. Dadurch wird der Zwischenrahmen mit
der darin gehaltenen Mikrostruktur im spannungsfreien Zustand gehalten,
so dass sich eine Verformung der äußeren Halterung nicht auf die
Eigenschaften der Mikrostruktur auswirkt.
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Das
Aufhängeelement
kann aber auch direkt mit dem Rahmen verbunden sein, der eine Halterung bildet.
Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Bauweise, bei der die
Mikrostruktur mit dem oder den Aufhängeelementen selbst bei einer
Verformung der umgebenden Halterung im spannungsfreien Zustand gehalten
wird.
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Vorteilhafterweise
ist das Federelement senkrecht zur Auslenkungsrichtung der Mikrostruktur verformbar.
Dadurch wird erreicht, dass senkrecht zur Auslenkungsrichtung vorhandene
Spannungen bzw. Kräfte,
die auf die Halterung einwirken, kompensiert werden.
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Beispielsweise
ist das Federelement in Richtung der Aufhängeachse der Mikrostruktur
verformbar, um Verformungen der Halterung relativ zur Mikrostruktur
und dem Aufhängeelement
auszugleichen.
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Vorteilhafterweise
sind das mikromechanische Bauelement oder Teile davon aus Silizium
gefertigt. Die Halterung ist als Rahmen ausgestaltet, in dem die
Mikrostruktur gehalten wird. Bevorzugt sind mehrere Aufhängeelemente
und/oder Federelemente vorgesehen, wodurch eine stabile Lagerung
der bewegbaren bzw. auslenkbaren Mikrostruktur in der Halterung
und eine besonders zuverlässige
Kompensation des auf die Halterung einwirkenden Stress erreicht
wird.
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Bevorzugt
ist das mikromechanische Bauelement als Siliziummonolith ausgestaltet,
was eine einfache und kostengünstige
Serienfertigung ermöglicht.
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Die
Längsachse
des Federelements ist bevorzugt senkrecht oder schräg zur Längsachse
des Aufhängeelements
gerichtet. Dadurch kann insbesondere eine äußere, entlang der Aufhängeachse wirkende
Stresskraft, die auf die Halterung wirkt, kompensiert werden, d.h.,
das eigentliche Messelement bleibt von dieser Stresskraft unbeeinflusst.
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Vorteilhafterweise
ist die Mikrostruktur plattenartig ausgebildet. Dabei liegen die
Längsachsen des
Federelements und des Aufhängeelements
beispielsweise in der Ebene der bevorzugt plattenartigen Mikrostruktur.
Auch dadurch ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellung,
die z.B. monolithisch erfolgen kann und Sensoren mit hoher Genauigkeit
bei geringer Baugröße ermöglicht.
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Bevorzugt
liegen das mindestens eine Federelement und das mindestens eine
Aufhängeelement
in einer Ebene. Insbesondere kann die plattenartige Mikrostruktur,
die rahmenartige Halterung und/oder der Zwischenrahmen in einer
Ebene liegen, wobei beispielsweise die Auslenkungsrichtung der Mikrostruktur
senkrecht zu dieser Ebene gerichtet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Sensor zur Messung von Beschleunigungen
oder Drehraten bereitgestellt, der einen Messaufnehmer zur Messung
der Auslenkung einer auslenkbaren Mikrostruktur bei einer auf den
Sensor wirkenden Beschleunigung aufweist und ein mikromechanisches
Bauelement, wie es oben beschrieben ist und nachfolgend detailliert
erläutert
wird, umfasst.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
im Detail beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch
eine Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelement gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, bei der eine Mikrostruktur mit zwei Aufhängeelementen über Federelemente
im spannungsfreien Zustand gehalten wird;
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2 eine
Draufsicht auf das in 1 gezeigte Bauelement in einem
Zustand, in dem eine Kraft entlang der Aufhängeachse auf das Bauelement
einwirkt;
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3 eine
schematische Draufsicht auf ein mikromechanisches Bauelement gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, bei der eine Mikrostruktur mit zwei Aufhängeelementen und
einem Zwischenrahmen im spannungsfreien Zustand gehalten wird; und
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4 eine
schematische Draufsicht auf das in 3 gezeigte
Bauelement, jedoch im Zustand einer äußeren Krafteinwirkung entlang
der Aufhängeachse
der Mikrostruktur.
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Das
in 1 gezeigte Bauelement 10 gemäß der ersten
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine plattenförmig ausgestaltete Mikrostruktur 11,
die in einer rahmenartigen Halterung 12 gehalten wird.
Die Mikrostruktur 11 ist zwischen zwei gegenüberliegenden
Aufhängeelementen 13a, 13b angeordnet,
die an zwei gegenüberliegenden
Seiten der Mikrostruktur 11 befestigt sind. Die Aufhängeelemente 13a, 13b sind
verbiegbar oder tordierbar, und elastisch, um eine Auslenkung der
Mikrostruktur 11 senkrecht zur Bauelement- bzw. Plattenebene,
d.h. in z-Richtung, zu ermöglichen.
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Zwischen
den Aufhängeelementen 13a, 13b und
der Halterung 12 sind Federelemente 14a, 14b vorgesehen,
die die Aufhängeelemente 13a, 13b jeweils
mit der Halterung 12 verbinden. D.h., die Aufhängeelemente 13a, 13b mit
der daran befestigten Mikrostruktur 11 sind über die
Federelemente 14a, 14b mit der Halterung 12 mechanisch
gekoppelt. Die Federelemente 14a, 14b sind beispielsweise
Torsionsfedern oder tordierbare bzw. biegbare Balken und ermöglichen
eine Verschiebung der jeweiligen Aufhängeelemente 13a bzw. 13b relativ
zur Halterung 12 in Richtung der Bauelementebene bzw. Plattenebene der
Mikrostruktur 11, d.h. in x-Richtung und/oder y-Richtung
und somit senkrecht zur Auslenkungsrichtung der Mikrostruktur 11.
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In
dem in 1 gezeigten spannungsfreien Zustand hat die Halterung 12,
die als Rahmen ausgebildet ist, zwischen zwei gegenüberliegenden
Rahmenteilen 12a, 12b einen Abstand a im Inneren
des Rahmens, in dem die Mikrostruktur 11 mittels der Aufhängeelemente 13a, 13b und
der Federelemente 14a, 14b befestigt ist. Im Falle
einer Stauchung oder Zerrung des Rahmens bzw. der Halterung 12 in
x- oder y-Richtung
werden die Federelemente 14a, 14b entgegengesetzt
zur Stauchungsrichtung ausgelenkt, so dass die Geometrie der Anordnung
aus den Aufhängeelementen 13a, 13b und
der Mikrostruktur 11 unverändert bleibt bzw. diese Elemente
in ihrer Form erhalten bleiben und keinen Verspannungen auf Grund
der Änderung
der Geometrie der Halterung 12 ausgesetzt werden.
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2 zeigt
das mikromechanische Bauelement 10 gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform
in einem Zustand, in dem eine Kraft F auf das Bauelement 10 entlang
der Aufhängeachse
der Mikrostruktur 11 einwirkt. Die Krafteinwirkung ist
hier exemplarisch in y-Richtung dargestellt. Im vorliegenden Beispiel
bewirkt die Krafteinwirkung entlang der Aufhängeachse, die durch die Verbindungslinie
zwischen den beiden gegenüberliegenden
Aufhängeelemente 13a, 13b definiert
ist, eine Stauchung der rahmenförmigen
Halterung 12 in Richtung der Aufhängeachse, so dass die Innenseite
des Rahmens bzw. der Abstand a zwischen den gegenüberliegenden Rahmenteilen 12a, 12b dadurch
verringert ist.
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Die
im spannungsfreien Zustand senkrecht zu den balkenförmigen Aufhängeelementen 13a, 13b gerichteten
balkenförmigen
Federelemente 14a, 14b erfahren im spannungsbelasteten
Zustand eine Auslenkung in Richtung der erfolgten Stauchung oder Zerrung
der rahmenartigen Halterung 12, die dem Betrag der geometrischen
Veränderung
der Halterung 12 entspricht, und kompensieren damit die
einwirkende Spannung, so dass das eigentliche Messelement, das aus
der Mikrostruktur 11 und den Aufhängeelementen 13a, 13b gebildet
wird, durch die Krafteinwirkung nicht beeinflusst wird.
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In
den gegenüberliegenden
Rahmenteilen 12a, 12b der Halterung 12 ist
innenseitig jeweils eine Aussparung 16a, 16b ausgebildet,
in der die Federelemente 14a, 14b an gegenüberliegenden
Seiten befestigt sind. Jedes Aufhängeelement 13a, 13b ist
mit einem Federelement 14a, 14b in dessen Zentrum verbunden,
wobei in diesem Beispiel jedes Federelement 14a, 14b aus
zwei elastischen Elementen besteht, die über ein Verbindungsstück 15 miteinander verbunden
sind, das jeweils im Zentrum eines Federelements 14a, 14b ausgebildet
ist. Die Aufhängeelemente 13a, 13b sind
jeweils über
ein Verbindungsstück 15 mit
den Federelementen 14a, 14b verbunden.
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Die 3 und 4 zeigen
ein Bauelement 100, das eine zweite bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung darstellt, in einem spannungsfreien Zustand (3)
bzw. in einem Zustand, in dem eine äußere Kraft entlang der Aufhängeachse
auf das Bauelement einwirkt (4). Dabei
ist, ähnlich
wie in der oben gezeigten ersten Ausführungsform, eine plattenförmige Mikrostruktur 111 an
zwei gegenüberliegenden
Seiten mit jeweils einem Aufhängeelement 113a, 113b verbunden,
die biegsam bzw. tordierbar sind, um eine Auslenkung der Mikrostruktur 111 in z-Richtung, d.h. senkrecht
zur Ebene x–y
des Bauelements 100 zu ermöglichen. Im Unterschied zum oben
beschriebenen Bauelement 10 gemäß 1 und 2 sind
die Aufhängeelemente 113a, 113b über einen
Zwischenrahmen 120 mit der rahmenartigen Halterung 112 verbunden,
wobei die Verbindung zwischen dem Zwischenrahmen 120 und
der rahmenartigen Halterung 112 durch eine Anordnung von Federelementen 114 gebildet
wird.
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Dabei
umgeben die verschiedenen Federelemente 114 den Zwischenrahmen 120,
so dass sich von jeder Seite des Zwischenrahmens 120 ein
oder mehrere Federelemente 114 zur rahmenartigen Halterung 112 erstrecken,
die den Zwischenrahmen 120 mit der darin angeordneten Mikrostruktur 111 umgibt. Wie
in der ersten gezeigten Ausführungsform
bilden auch hier die Federelemente 114 Kompensationsfedern
zur Kompensation von Geometrieänderungen oder
Verschiebungen der Halterung auf Grund von Kräften bzw. Spannungen, die auf
das Bauelement 100 einwirken.
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Die
Federelemente 114 sind zum Beispiel als elastische oder
tordierbare Balken ausgestaltet und sind in ihrer jeweiligen Längsrichtung
schräg
bzw. in einem Winkel zur Aufhängeachse
ausgerichtet. Die Aufhängeachse
wird durch die beiden gegenüberliegenden
Aufhängeelemente 113a, 113b definiert. Durch
den schrägen
Verlauf der Federelemente 114 bzw. Kompensationsfedern
in Bezug auf die Aufhängeelemente 113a, 113b,
in Bezug auf die Aufhängeachse
und in Bezug auf die Rahmenteile des Zwischenrahmens 120 wird
eine besonders zuverlässige Kompensation
von in x- oder y-Richtung einwirkenden Kräften erreicht. Bei einer Änderung
des Abstands a der Halterung 112 bleibt der Zwischenrahmen 120 in
seiner Form unverändert.
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Bei
dem in 4 gezeigten spannungsbelasteten Zustand des mikromechanischen
Bauelements 100 ist der Abstand a zwischen zwei gegenüberliegenden
Rahmenteilen 112a, 112b bzw. Halteelementen der
Halterung 112 kleiner als im spannungsfreien Zustand. In
dem dargestellten Beispiel wirkt eine Druckspannung F in y-Richtung
entlang der durch die Aufhängeelemente 113a, 113b definierten
Aufhängeachse.
Die daraus resultierende Stauchung der Halterung 112 führt zu einer
Auslenkung bzw. Verbiegung der Federelemente 114, wodurch eine
Kompensation der Stauchung bewirkt wird. Somit bleibt der Zwischenrahmen 120 mit
der darin angeordneten Mikrostruktur 111 und den Aufhängeelementen 113a, 113b von
der erfolgten Stauchung unbeeinflusst.
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Das
mikromechanische Bauelement 10, 100 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist bevorzugt aus Silizium als Grundmaterial gefertigt.
Es ist zum Beispiel flächig
ausgebildet, wobei die einzelnen Elemente aus einem Siliziummonolithen
strukturiert sein können.
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Das
mikromechanische Bauelement 10, 100 bildet zusammen
mit geeigneten Messaufnehmern zur Messung der Auslenkung der Mikrostruktur 11, 111 einen
Beschleunigungs- oder Drehratensensor. Die Messaufnehmer können beispielsweise
piezoresistive Elemente sein, die an den Aufhängeelementen 13a, 13b bzw. 113a, 113b befestigt
sind und eine Torsion oder Verbiegung der Aufhängeelemente bei einer Auslenkung
der Mikrostruktur 11, 111 in z-Richtung erfassen.
Es sind aber auch andere Arten von Messaufnehmern geeignet, beispielsweise
Kapazitäten
zur Messung der Auslenkung.