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Die Erfindung betrifft auslenkbare mikromechanische Systeme, bei denen die jeweilige Auslenkung mindestens eines auslenkbaren Elementes bestimmt werden kann. Diese ist bei einer translatorischen und/oder einer rotatorischen Auslenkung um mindestens eine Achse solcher Elemente bestimmbar. So können die jeweiligen Positionskoordinaten eines auslenkbaren Elementes oder auch jeweilige Auslenkwinkel bestimmt werden. Mit den so bestimmbaren Werten können weitere Messgrößen ermittelt oder aktiv Einfluss auf ein System und insbesondere auf die Auslenkung von Elementen genommen werden. Auslenkbare Elemente können beispielsweise optische Elemente, insbesondere reflektierende Elemente, aber auch elastisch verformbare Elemente, insbesondere Membranen sein.
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Die Auslenkung kann oszillierend und dabei auch bei Einhaltung von Resonanzbedingungen durchgeführt werden. Wobei im letztgenannten Fall diese Bedingungen beim Betrieb mit der Erfindung besser eingehalten werden können.
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In der Mikrosystemtechnik werden bisher physikalische Wirkprinzipien für eine Bestimmung von Positionen eingesetzt. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um drei solcher Prinzipien.
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So wird eine Veränderung der elektrischen Kapazität durch Geometrieänderungen erfasst und dabei ausgenutzt, dass sich die elektrische Kapazität von der jeweiligen Anordnung von Elektroden zueinander beeinflussen lässt. Bei einer Bewegung eines solchen Systems oder Elementen davon ist die sich ändernde elektrische Kapazität einer Kondensatoranordnung ein entsprechend geeignetes Mass. Solche Lösungen werden bei Drucksensoren, zur Nullpunktdetektion und auch bei Mikroscannerspiegeln eingesetzt.
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Eine weitere bekannte Möglichkeit ist auch die Nutzung des Pseudo-Hall-Effektes. Dabei werden die piezoresistiven Eigenschaften von einkristallinem Silicium genutzt. Diese führen dazu, dass ein elektrisches Feld in einem auf Torsion beanspruchten Werkstück nicht geradlinig verläuft. Mit einer bestimmten Anordnung von Elektroden (Pseudo-Hall-Sensor) kann eine von mechanischer Scherdehnung abhängige elektrische Spannung abgegriffen werden. Dabei ändert sich der elektrische Stromfluss und das Vorzeichen der elektrischen Spannung in Abhängigkeit von der Richtung der Scherung. So können Verdrehwinkel mikromechanischer Torsionsbalken bestimmt werden.
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Außerdem kann die Änderung des elektrischen Widerstandes, eine Geometrie- oder elektrische Leitfähigkeitsänderung ausgenutzt werden. Dabei werden piezoresistive Eigenschaften von Werkstoffen, wie z. B. ein- oder polykristallinem Silicium ausgenutzt. Diese führen zu eine lokalen Änderung der elektrischen Leitfähigkeit in der Richtung eines lokalen Dehnungsfeldes. Die aus einer Zugdehnung resultierende veränderte elektrische Leitfähigkeit in Richtung der wirkenden Zugkräfte, kann so in Abhängigkeit von der Geometrie zu beträchtlichen Änderungen des elektrischen Widerstandes führen. Dieser veränderte elektrische Widerstand kann bestimmt und das ermittelte Messsignal, beispielsweise bei miniaturisierten Drucksensoren genutzt werden.
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Prinzipiell sind solche möglichen Aufbauten in 1a) bis c) gezeigt.
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Diese bisher genutzten Wirkprinzipien haben aber auch Nachteile. So ist ein kapazitiver Sensor nicht sehr empfindlich und die erreichbare Messgenauigkeit ist für viele Anwendungen zu gering. Problematisch sind auch kleine Kapazitätsänderungen, insbesondere dann, wenn mit elektrostatischen Antrieben gearbeitet wird, da dieser als Störgröße wirkt. Außerdem ist für einen kapazitiven Sensor ein relativ großer Raumbedarf erforderlich, was in der Mikrosystemtechnik äußerst kontraproduktiv ist.
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Bei Pseudo-Hall-Sensoren ist es nachteilig, dass ein hoher Integrationsaufwand berücksichtigt werden muss, da zu jedem Sensorelement vier getrennte elektrische Potentiale geführt werden müssen. Wegen der erforderlichen vier Elektroden ist auch ein entsprechend großer Platzbedarf zu berücksichtigen.
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Bei der Bestimmung sich entsprechend ändernder elektrischer Leitfähigkeiten ist eine hohe Geometrieabhängigkeit am Deformationskörper zu berücksichtigen. Es lassen sich aber die Wirkung von Zug- und Druckkräften relativ gut bestimmen. Schematisch ist dies mit 2a) und b) verdeutlicht. Mit einem üblicherweise eingesetzten symmetrischen Aufbau kann aber die jeweilige Bewegungs- bzw. Auslenkungsrichtung bei Biegung/Verformung nicht erkannt werden.
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Aus diesem Grunde wurde beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht in einem Schichtaufbau ausgebildet, wie dies mit den 3a) und 3b) verdeutlicht werden soll.
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Dabei darf aber kein Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften genommen werden, was ohne sehr großen Aufwand nicht oder nur bedingt erreicht werden kann. Der Fertigungsaufwand steigt außerdem erheblich.
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In der
US 2005/0188769 A1 ist ein auslenkbares mikromechanisches System beschrieben, bei dem mindestens ein Federelement eine Aufhängung bildet. Außerdem ist eine die jeweilige Auslenkung erfassende Einheit vorhanden. Die Einheit ist mit zwei in einem Abstand zueinander angeordneten piezoresistiven Sensoren gebildet. Mit in einem sich verformenden Bereich angeordneten Kontakten, die an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen sind, kann eine Auslenkung erreicht werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei auslenkbaren mikromechanischen Systemen die Position oder Auslenkung von Elementen genau, mit geringem Aufwand sowie Raumbedarf auch mit jeweiliger Bewegungsrichtung bestimmen zu können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Verwendungen eines erfindungsgemäßen Systems sind in den Ansprüchen 10 bis 12 bezeichnet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Es können inhomogene elektrische Felder erzwungen werden, die in einem elektrisch aktiven Volumen des Systems mit den mechanischen Spannungs-/Dehnungsfeldern aufgrund des piezoresistiven Effektes wechselwirken. Durch diese Inhomogenität des elektrischen Feldes kann unabhängig vom vorhandenen Verlauf mechanischer Spannungs-/Dehnungsfelder eine signifikante Änderung des Widerstandes erreicht und eine höhere Empfindlichkeit (Sensitivität), insbesondere in Auslenkungsrichtung realisiert werden.
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Dies ist auch bei sehr unsymmetrischen Spannungs-/Dehnungsfeldausbildung, bei auf Biegung beanspruchten Systemen oder Bereichen davon, der Fall.
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Mit der Erfindung kann die Asymmetrie elektrischer Felder durch geeignete Anordnung von Kontakten in einem ansonsten symmetrisch ausgebildeten Bereich eines Systems, ausgenutzt werden. Hierzu werden mit Kontakten, die an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen und mit möglichst geringem Abstand zueinander angeordnet sind, ein piezoresistiver Sensor gebildet, der bei einem erfindungsgemäßen System an einem Bereich angeordnet ist, der sich bei einer Auslenkung eines Elementes verformt. Bei einer Verformung ändert sich der elektrische Widerstand und dieser kann als Maß für die jeweilige Auslenkung oder Position des ausgelenkten Elementes des Systems genutzt werden.
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Die Anordnung elektrischer Kontakte sollte so erfolgen, dass in Tiefenrichtung, d. h. senkrecht zu den Kontaktflächen, eine Ausbildung inhomogener elektrischer Felder auftritt.
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Der Abstand der Kontakte soll sehr klein gehalten und die 1,5-fache Höhe nicht überschreiten.
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Ein sich entsprechend änderndes elektrisches Feld ist dabei entsprechend stark inhomogen innerhalb des verformten Bereiches ausgebildet, da der bestimmte elektrische Widerstand wesentlich mehr von der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei der Verformung des Bereichs an dessen Oberfläche, an der die Kontakte angeordnet sind, beeinflusst wird, als dies im darunter angeordneten Teil des verformten Bereichs der Fall ist.
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Unter Ausnutzung dieses Effektes kann die Empfindlichkeit und insbesondere auch die Richtungsempfindlichkeit erhöht werden, was bevorzugt bei Verformungen, die infolge Biegung oder Torsion auftreten, ausgenutzt werden kann.
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Eine Sensitivität kann sich vollständig über die gesamte Tiefe von sich verformenden Bereichen erstreckend erreicht werden. Ein sich verformender Bereich sollte homogene piezoresistive Eigenschaften aufweisen und im Wechselwirkungsbereich mit einem inhomogenen elektrischen Feld einen piezoresistiven Wandler bilden.
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Es ist dabei keine Abgrenzung des/der sich verformenden Bereich(e) von anderen Bereichen eines Systems, beispielsweise mittels elektrischer Isolationsschichten und/oder der Änderung von Materialeigenschaften, insbesondere piezoresistiver Eigenschaften, der Dotierung und/oder elektrischen Leitfähigkeit erforderlich.
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Die Erfindung kann besonders vorteilhaft weitergebildet werden, wenn mehrere Kontakte von piezoresitiven Sensoren zu einer Messbrücke elektrisch verschaltet worden sind. Dabei sollten mindestens zwei piezoresistive Sensoren so angeordnet sein, dass bei einer zur Verformung eines Bereichs führende Auslenkung eines Elementes eine mit einem entgegen gesetzten Vorzeichen behaftetes Messsignal einer Änderung des elektrischen Widerstandes erhalten wird. Da in der Mikrosystemtechnik jedoch häufig symmetrische Elemente oder Anordnungen eingesetzt werden, ist eine solche Lösung in der Regel einsetzbar, ohne dass ein erhöhter Aufwand betrieben werden muss.
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Bei der Erfindung sollte der verformbare Bereich, an dem ein piezoresistiver Sensor vorhanden ist, aus einem elektrisch leitenden, bevorzugt halbleitenden Werkstoff, insbsondere ein- oder polykristalline Halbleiter gebildet sein. Letzteres kann beispielsweise Silicium, bevorzugt niedrig oder undotiertes Silicium sein, das für die Herstellung mikromechanischer Elemente oder auch Systeme bereits häufig eingesetzt wird. Es können aber auch Germanium, Indiumgalliumarsenid oder Indiumzinn eingesetzt werden.
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An mikromechanischen Systemen eingesetzte auslenkbare Elemente werden üblicherweise mittels einer Aufhängung gehalten und Federelemente, wie z. B. Biegefedern Und/oder Torsionsfedern sind dabei Elemente einer solchen Aufhängung. Die Kontakte von piezoresistiven Sensoren sollten dabei an, zumindest aber in der Nähe solcher Federelemente angeordnet sein, da dort ein sich bei einer Auslenkung verformender Bereich vorhanden ist.
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Die Kontakte können unmittelbar auf der Oberfläche eines sich verformenden Bereichs ausgebildet und dabei stoffschlüssig mit dieser verbunden sein. Sie können in Dünnschichttechnik ausgebildet werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere piezoresistiven Sensoren mit ihren Kontakten zu einer Messbrücke elektrisch miteinander verschaltet sind, sollten diese so angeordnet werden, dass sie bei einer Auslenkung in eine Richtung jeweils ein Messsignal für eine erfasste elektrische Widerstandsänderung mit entgegengesetztem Vorzeichen liefern. Dies ist wegen der üblicherweise in der Mikrosystemtechnik eingesetzten symmetrischen Gestaltung in der Regel möglich.
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Für einen oder auch mehrere piezoresistive Sensoren an einem erfindungsgemäßen mikromechanischen System ist nur ein geringer Raumbedarf erforderlich. Zu jedem Kontakt muss lediglich eine elektrische Zuleitung geführt sein.
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Es ist auch eine Erfassung der Richtung einer bei der Auslenkung eines Elementes auftretenden Biegung oder Torsion bei symmetrischen Geometrien an einem mikromechanischen System möglich.
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Gegenüber den bekannten Lösungen kann eine höhere Messempfindlichkeit erreicht werden.
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Der Fertigungsaufwand ist dagegen gering im Vergleich zu den bisher eingesetzten Lösungen.
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Durch die inhomogene Ausbildung elektrischer Felder, insbesondere im aktiven Bereich mit einer entsprechenden Tiefenausdehnung in verformbaren Bereichen, kann dies erreicht werden. Der Körper kann so über das gesamte Volumen homogene piezoresistive Eigenschaften aufweisen, was durch die Anordnung der elektrischen Kontakte erreichbar ist. Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen können Fertigungsschritte, die für eine Beschichtung bzw. Enddotierung und Strukturierung erforderlich waren, entfallen und demzufolge der Herstellungsaufwand reduziert werden.
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All diese Vorteile kompensieren aber den höheren Aufwand, der für die Auswertung der Messsignale erforderlich ist, was insbesondere der Nichtlinearität der erfassten Messsignale geschuldet ist.
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Die Erfindung kann, wie bereits eingangs erwähnt auch bei unter Einhaltung von Resonanzbedingungen betriebenen Systemen eingesetzt werden, wobei die Einflussnahme auf deren Einhaltung der Resonanz durch die Erfindung verbessert werden kann.
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Insbesondere mit einer verschalteten Messbrücke mehrerer piezoresistiver Sensoren, mit denen inhomogene elektrische Felder ausgebildet werden können, können neben der erhöhten Messempfindlichkeit auch störende Einflüsse, wie z. B. Temperaturdrift und Nichtlinearitäten unterdrückt oder gar verhindert werden.
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Die Erfindung kann für die Bestimmung der jeweiligen Auslenkung reflektierender Elemente (Kippspiegel, Torsions-Mikrospiegel), die um eine oder auch zwei Achsen verschwenkt werden, eingesetzt werden. Sie kann aber auch bei Systemen mit einem translatorisch ausgelenkten Element (Translations-Schwinger, -Mikrospiegel) zum Einsatz kommen. Konkrete beispiele für die Verwendung erfindungsgemäßer mikromechanischer Systeme sind auch Winkelgeschwindigkeits-, Winkelbeschleunigungs-, Drehraten-, Kraft-, Drehmoment-, Beschleunigungssensoren oder taktile Sensoren. Taktile Sensoren können für die Bestimmung von Oberflächentopografien oder zur Rauhigkeitsbestimmung von Oberflächen eingesetzt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 drei Beispiele für bekannte nach dem Stand der Technik eingesetzte Messprinzipien;
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2 in schematischer Form, Möglichkeiten für piezoresistive elektrische Widerstandsänderung in Silicium bei Beaufschlagung mit Zug- und Druckkräften sowie bei Biegung;
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3 eine bekannte Möglichkeit zur Einhaltung asymmetrischer Verhältnisse bei der piezoresistiven elektrischen Widerstandsänderung;
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4 in schematischer Form das Wirkprinzip eines an einem erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems einsetzbaren piezoresistiven Sensors;
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5 Diagramme der mit der Erfindung erfassbaren elektrischen Widerstandsänderung bei Auslenkung eines Elementes und
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6 in schematischer Form Möglichkeiten für die Ausbildung eines mikromechanischen Systems mit auslenkbarem Element und mehreren zu Messbrücken miteinander verschalteten piezoresistiven Sensoren.
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In 1 sind drei Wirkprinzipien, wie sie in der Beschreibungseinleitung genannt worden sind, verdeutlicht worden. Dabei betrifft 1a) ein kapazitives System, 1b) einen Pseudo-Hall-Sensor und 1c) einen bekannten piezoresistiven Sensor.
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Mit 2a) soll eine erfassbare piezoresistive Widerstandsänderung bei wirkenden Zugkräfte (oben dargestellt) und Druckkräften (unten dargestellt) verdeutlicht werden. 2b) soll dies bei Biegebelastung mit unterschiedlicher Biegerichtung verdeutlichen.
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Analog zu 2b) soll mit 3 ebenfalls bei Biegung mit unterschiedlicher Richtung eine bekannte Möglichkeit für die Einhaltung asymmetrischer Verhältnisse verdeutlicht werden. Dabei lässt sich die Änderung der lokalen elektrischen Widerstände zur Änderung des Gesamtwiderstandes näherungsweise durch eine quadratische Gleichung mit quadratischen, linearen und konstanten Anteil beschreiben.
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Dabei führt der lineare Anteil zu einer Asymmetrie des sich in Abhängigkeit der Auslenkung und Verformung verändernden elektrischen Widerstandes, wie dies aus 5a) entnommen werden kann. Der Kennlinienverlauf liefert für einen beschränkten Bereich eine eindeutige Aussage der Auslenkung in Bezug zur jeweiligen Änderung des elektrischen Widerstandes. Die Breite dieses Bereiches ist von der Geometrie und den Eigenschaften des Werkstoffes (Silicium) im verformbaren Bereich abhängig. Bei großen Auslenkungen kann keine eineindeutige Aussage erhalten werden. Es ist dann nicht ohne weiteres möglich aus einem einzelnen Messwert die Position oder die jeweilige Auslenkung zu bestimmen. Im Gegensatz zu bekannten piezoresistiven Sensoren, kann dann der Betrag der Auslenkung und auch die Richtung der Auslenkung nicht ohne weiteres eindeutig bestimmt werden.
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Ist aber, wie bei einem unter Einhaltung von Resonanzbedingungen betriebenen Mikrosystems die Trajektorie der Auslenkungsbewegung bekannt (z. B. sinusförmig), kann mit kontinuierlicher Erfassung von Messsignalen ein Rückschluss auf Amplitude, Phasenlage und Momentanposition gezogen werden. Dies soll mit dem in 5b) gezeigten Diagramm verdeutlicht werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung der Positionen bei großen Auslenkungen ergibt sich aus einer Kombination mit einem weiteren piezoresistiven Sensor, der die jeweilige Auslenkung eindeutig detektieren kann. Durch Kombination der Weg-Infomation dieses piezoresistiven Sensors mit inhomogenem elektrischem Feld, kann die jeweilige Position bzw. Auslenkung eindeutig bestimmt werden.
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Für die eindeutige Bestimmung von Positionen bzw. Auslenkungen sollten bevorzugt mindestens zwei piezoresistive Sensoren, die inhomogenen elektrische Felder generieren, zu einer elektrischen Messbrücke verschaltet werden.
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Dies ist mit 6 in unterschiedlichen Ausführungsformen schematisch dargestellt.
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Dabei sind zwei sich diametral gegenüberliegend angeordnete Torsionsfederelemente 4 Bestandteil einer Aufhängung für ein um eine Achse verschwenkbares und so auslenkbares Element 1, vorhanden und mit diesem verbunden. Das auslenkbare Element 1 kann eine reflektierende Oberfläche aufweisen und einen Spiegel bilden.
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Am oben dargestellten Torsionsfederelement 4 sind Kontakte 2, 3 dargestellt, die piezoresistive Sensoren bilden und an eine elektrische Strom- oder Spannungsquelle angeschlossen sowie zu einer Messbrücke verschaltet sind. Die jeweils außen angeordneten Kontakte 2 sind an ein elektrisches Spannungspotential mit entgegengesetztem Vorzeichen angeschlossen.
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Die Anordnung der Kontakte 2 und 3 und dementsprechend der zwei piezoresistiven Sensoren erfolgte an Biegebalken 6, die sich bei der Verschwenkung des auslenkbaren Elementes 1 verformen, wobei dort ein verformbarer Bereich vorhanden ist.
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Außerdem sind durch Punktierungen elektrische Isolationen 5 dargestellt, die beispielsweise durch mit einem elektrisch isolierenden Stoff gefüllte Gräben ausgebildet worden sind.
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Dabei ist an dem oben dargestellten Torsionsfederelement 4 auch eine elektrische Isolation 5 am auslenkbaren Element 1 vorhanden. Im Gegensatz dazu ist bei dem unten dargestellten Torsionsfederelement 4 ein Anschluss 6 am auslenkbaren Element 1 vorhanden, der an Erdpotential gelegt ist, so dass bei einer solchen Ausführung auf eine elektrische Isolation 5 des auslenkbaren Elements 1 verzichtet werden kann. So kann der Bereich mit piezoresistiven Sensoren vom Antrieb für das auslenkbare Element 1 gekoppelt sein.
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Bei der oben dargestellten Ausführung sind Sensoren und Antrieb entkoppelt.
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In jedem Fall sind die Abstände der Kontakte 2 und 3 jeweils kleiner als die Höhe H der sich verformenden Bereiche an den Biegebalken 6.
