DE4431232A1 - Integrierbares Feder-Masse-System - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein integrierbares Feder-Masse-System gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Im Rahmen der rasanten Entwicklung in der Mikromechanik sind in den letzten Jahren die Methoden zur Herstellung mikrome­ chanischer Bauelemente immer mehr weiterentwickelt worden. Von besonderer Bedeutung sind neben den Drucksensoren soge­ nannte Feder-Masse-Systeme, wie z. B. Beschleunigungssenso­ ren, Vibrationssensoren, Drehratensensoren und dergleichen. Wesentlicher Bestandteil dieser Feder-Masse-Systeme ist eine vorzugsweise aus Siliziummaterial freigeätzte seismische Masse, die über einen oder mehrere elastische Federungsstege mit einem ortsfesten Sockel verbunden ist. Die Federkonstan­ te ist bei diesem Feder-Masse-System über die Breite, Dicke und Länge der Biegebalken und damit der Federungsstege bestimmt. Die Erfassung der Massebewegung kann kapazitiv oder durch Signalwandlung von in den Biegebalken integrier­ ten Piezowiderständen erfolgen.

Ein Beschleunigungssensor ist beispielsweise aus DE 40 22 464 A1 bekannt. Der dort beschriebene und insbesondere zur Messung von Winkelbeschleunigungen beschriebene Beschleuni­ gungssensor ist aus einem Siliziumträger hergestellt. Aus dem Siliziumträger sind ein unbeweglicher Sockel in Form eines Rahmens und mindestens eine in dem Rahmen befestigte, auslenkbare seismische Masse herausstrukturiert. Die seismi­ sche Masse ist über mindestens zwei symmetrisch angeordnete und in der Trägerebene verbiegbare Federungsstege mit dem Rahmen verbunden. Die Auslenkung der seismischen Masse in der Trägerebene wird an zwei gegenüberliegenden Seiten der seismischen Masse erfaßt. Durch das Erfassen der Auslenkung der seismischen Masse an mindestens zwei Seiten lassen sich Drehbewegungen von Linearbeschleunigungen unterscheiden.

Ein wesentliches Problem bei solchen Feder-Masse-Systemen ist deren verhältnismäßig hohe Querempfindlichkeit. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die Masse bei Krafteinwir­ kung auf die an den Federungsstegen aufgehängte seismische Masse auch quer zur Krafteinwirkung ausgelenkt wird. Zur Verminderung der Querempfindlichkeit hat sich eine viersei­ tige symmetrische Aufhängung der seismischen Masse als vorteilhaft erwiesen. Solche Sensoren sind nachteiligerweise aber nur in einer Richtung verformungsempfindlich.

Die Eignung von Feder-Masse-Systemen zur gerichteten Nei­ gungs- bzw. Beschleunigungsmessung setzt aber prinzipiell voraus, daß in zumindest zwei zueinander linear unabhängigen Raumrichtungen Feder-Masse-Auslenkungen möglichst unabhängig voneinander bestimmt werden können. Zur Entkopplung werden daher meist mehrere, mindestens zwei, gleiche Feder-Mas­ se-Systeme vorgesehen, die jeweils nur für eine bestimmte Raumrichtungskomponente empfindlich sind. Bei einem Flächen­ lage- bzw. Zwei-Dimensional-Beschleunigungssensor sind demnach zwei Feder-Masse-Systeme zueinander orthogonal auszurichten. Für die Realisierung eines dreidimensionalen Beschleunigungssensors müssen mindestens drei solcher Fe­ der-Masse-Systeme vorzugsweise orthogonal zueinander ausge­ richtet und die jeweiligen Sensorsignale miteinander verar­ beitet werden.

Ein in x- und y-Richtung empfindliches Feder-Masse-System mit nur einer einzigen Masse, ist in Sensors and Actuators A, 43 (1994) auf den Seiten 120 bis 127 beschrieben. Das dort beschriebene integrierbare Feder-Masse-System, das zugleich den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, besteht im wesentlichen aus einer einzigen in Z-Richtung steifen und in X- und Y-Richtung beweglichen Masse. Die Masse ist in ihrem Zentrum festgelegt. Außerhalb der Masse befindet sich ein unbeweglicher Sockel, an welchem die bewegliche Masse über mindestens zwei Federungsstege angebunden ist, die sich bei Einwirkung von Trägheitskräften auf die bewegliche Masse elastisch verformen. Die Federungsstege sind hierbei zwi­ schen Anbindungspunkten an der beweglichen Masse und des Sockels endseitig befestigt. Darüber hinaus sieht das be­ schriebene Feder-Masse-System Elektroden vor, um die Auslen­ kung des Feder-Masse-Systems kapazitiv zu detektieren. Die seismische Masse dieses Feder-Masse-Systems ist nach Art einer kardanischen Aufhängung am Rahmen befestigt.

Obwohl mit einem derartigen Feder-Masse-System eine niedrige Querempfindlichkeit erreichbar ist, hat sich die Realisie­ rung eines derartigen Feder-Masse-Systems aufgrund der karda­ nischen Aufhängung der sei-mischen Masse als verhältnismäßig schwierig herausgestellt. Darüber hinaus können auch Nicht­ linearitäten bedingt durch die Bewegung der Masse in Rich­ tung Dämpfungsschicht auftreten (sog. "Squeezefilmdämp­ fung").

Die übrigen Feder-Masse-Systeme zeichnen sich dagegen durch eine starke Querempfindlichkeit aus, so daß aufgrund der hierdurch bedingten Nicht-Linearitäten regelmäßig zwei Feder-Masse-Systeme orthogonal zueinander eingesetzt werden müssen, um zumindest in zwei zueinander linear unabhängigen Raumrichtungen eine gerichtete Neigungs- bzw. Beschleuni­ gungsmessung zu ermöglichen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein integrierbares Feder-Masse-System anzugeben, das eine flä­ chenhafte oder räumliche Massebewegung für mindestens zwei voneinander unabhängige Richtungen zuläßt und sich durch eine geringe Querempfindlichkeit auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch ein integrierbares Feder-Masse-Sy­ stem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung beruht im wesentlichen darauf, daß die Fede­ rungsstege, über die die seismische Masse an den unbewegli­ chen Sockel angebunden ist, gekrümmt und/oder geknickt ausgebildet sind und jeweils Federungsstegabschnitte aufwei­ sen, die sowohl bei einer in X- als auch in Y-Richtung gerichteten Beschleunigungswirkung auf die bewegliche Masse ein sich je Federungssteg gegenseitig kompensierendes Ver­ formungsverhalten zeigen. Das Verformungsverhalten der Federungsstege ist dabei so gewählt, daß eine von der Kraft­ wirkungsrichtung abweichende Auslenkung des jeweiligen Anbindungspunktes an der beweglichen Masse zumindest nahezu eliminiert wird.

Durch eine derartige Wahl der Federungsstege ist es möglich, bei einer Krafteinwirkung in X- oder Y-Richtung auf die bewegliche seismische Masse, daß diese tatsächlich nur in Richtung zur wirkenden Kraft auslenkt, obwohl die bewegliche Masse auch in orthogonaler Richtung hierzu beweglich wäre.

Dank der Ausbildung der Federungsstege mit Federungsstegab­ schnitten, die sich gegenseitig kompensierend verformen, findet eine Verschiebung der seismischen Masse orthogonal zur Krafteinwirkung nicht oder nahezu nicht statt. Die Querempfindlichkeit ist somit erheblich reduziert, was für das integrierbare Feder-Masse-System nach der Erfindung für eine Vielzahl von Anwendungen ideal ist. Das integrierbare Feder-Masse-System nach der Erfindung ist insbesondere zur Verwendung als Beschleunigungssensor oder Neigungssensor für zweidimensionale Anwendungen geeignet. Eine Verwendung ist jedoch auch als Beschleunigungssensor oder Neigungssensor für dreidimensionale Anwendungen möglich, indem zwei identi­ sche integrierbare Masse-Feder-Systeme orthogonal zueinander ausgerichtet werden und die bei beiden Systemen abgreifbaren Sensorsignale gemeinsam verarbeitet werden.

Eine weitere Verwendung des integrierbaren Feder-Masse-Sy­ stems ist als Vibrationssensor möglich, indem eine Vielzahl solcher integrierbarer Feder-Masse-Systeme mit unterschied­ lichen Eigenfrequenzen des Feder-Masse-Systems parallel geschaltet werden. Ein solcher Vibrationssensor kann einen weiten Bereich variabler Masse-Steifigkeitsverhältnisse aufweisen, insbesondere im Hinblick auf sehr niedrige Eigen­ frequenzen. Zudem können jedes der einzelnen Feder-Masse-Sy­ steme aus der Vielzahl von eingesetzten Feder-Masse-Systemen aufgrund definierter Einstellung der Steifigkeit in vonein­ ander linear unabhängigen Richtungen gezielt modenselektiv beeinflußt werden. Hierbei kann die oben beschriebene Ver­ formungskompensation der Masseaufhängung über die elastisch verformbaren Federungsstege quasi zur Modenentkopplung eingesetzt werden, um beispielsweise eines der Feder-Mas­ se-Systeme für zwei definierte Schwingungsmoden auszulegen. Eine Reduktion der erforderlichen Einzelstrukturen zur Abdeckung eines spezifizierten Frequenzbereichs ist dadurch möglich.

Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Feder-Masse-System auch zur Drehratenmessung und damit als Gyroskopsensor einsetzbar. Bei der Drehratenmessung wird, wie an sich bereits aus EP 0 449 836 B1 bekannt, die Corioliskraft in einzelne Kraftkomponenten zerlegt und ausgewertet.

Die Federungsstege, über die bei dem integrierbaren Fe­ der-Masse-System nach der Erfindung die seismische Masse an den unbeweglichen Sockel angebunden ist, werden vorzugswei­ se mindestens teilweise um die bewegliche Masse herumge­ führt. Dies ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau des Feder-Masse-Systems.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden zwei Fede­ rungsstege vorgesehen, die an sich in bezug auf einen Masse­ mittelpunkt der beweglichen Masse gegenüberliegenden Anbin­ dungspunkten am Sockel angeschlossen und jeweils in gleicher Richtung um etwa die halbe Umlauffläche der beweglichen Masse herumgeführt sind. Dies ermöglicht einen äußerst einfachen Aufbau des Feder-Masse-Systems. Darüber hinaus wird hierdurch ein symmetrischer Aufbau des Feder-Masse-Sy­ stems ermöglicht, wodurch sich eine besonders einfache Struktur des Feder-Masse-Systems ergibt.

In einer Weiterbildung der Erfindung weisen die bewegliche Masse und die Federungsstege in bezug auf die Z-Richtung, in der das Feder-Masse-System nach der Erfindung mindestens im wesentlichen steif ausgebildet ist, eine gleiche Höhe auf. Hierdurch wird eine hohe mechanische Stabilität des Systems erreicht. Die Bruchempfindlichkeit des Systems kann hier­ durch wesentlich reduziert werden. Das Feder-Masse-System mit in bezug auf die Z-Richtung gleich hoher Masse und gleich hohen Federungsstegen ist damit weniger bruchempfind­ lich als andere Feder-Masse-Systeme.

Der Sockel des Feder-Masse-Systems nach der Erfindung kann als polygonaler Rahmen, z. B. quader- oder rhombusförmig mit gleicher oder unterschiedlicher Kantenlänge, ausgebildet sein. Die bewegliche Masse sollte hierzu angepaßte polygona­ le Oberseiten aufweisen und mit ihren Kanten parallel zum polygonalen Rahmen beabstandet verlaufen. Im Zwischenraum zwischen der beweglichen Masse und dem Rahmen sind dann die Federungsstege anzuordnen. Durch diese Ausbildung wird ein sehr kompakter Aufbau des Feder-Masse-Systems bei verhält­ nismäßig langen Federungsstegen möglich. Eine derartige Ausbildung des Feder-Masse-Systems zeigt ein günstige s Dämpfungsverhalten dank der schmalen Spalte, in die auch noch ein Dämpfungsmedium eingebracht werden kann.

Das integrierbare Feder-Masse-System ist besonders zur Ausbildung in einem Halbleitermaterial, z. B. Siliziummate­ rial oder Galliumarsenitmaterial, geeignet. Darüber hinaus kann die Mikrostruktur des Feder-Masse-Systems auch aus jedem anderen geeigneten Material, z. B. Metall oder Kunst­ stoff, herausstrukturiert werden. Als Metall hat sich z. B. auch Nickel als geeignet herausgestellt.

Als besonders geeignetes Halbleitermaterial hat sich ein­ kristallines Siliziummaterial erwiesen. Eine besonders einfache Herstellung des Feder-Masse-Systems nach der Erfin­ dung ergibt sich, wenn die Kristallorientierung des ein­ kristallinen Siliziummaterials so gewählt ist, daß das einkristalline Siliziummaterial orthogonal zur Z-Richtung, in der die Masse steif ist, eine (110)-Kristallebene auf­ weist. Beim Herausstrukturieren aus dem Siliziummaterial durch Ätzen werden nämlich bei einer derartigen Orientierung weitgehend parallel zueinander liegende Wandungen zwischen dem Sockel und den Federungsstegen bzw. zwischen den Fede­ rungsstegen und der Masse erreicht. Des weiteren ergibt sich beim Herausstrukturieren aus einkristallinem Siliziummate­ rial mit (110)-Kristallebenenorientierung eine günstige Schwerpunktverteilung des Systems, so daß das Feder-Mas­ se-System aus einkristallinem Silizium mechanisch stabil und damit wenig bruchempfindlich ist.

Zur Detektion des Auslenkungs- oder Schwingungsverhaltens der an den Federungsstegen aufgehängten seismischen Masse ist sowohl eine kapazitive Auswertung der Massebewegung als auch der Einsatz von Piezowiderständen möglich.

Zur kapazitiven Auswertung der Massebewegung sind mindestens zwei Elektroden erforderlich. Eine erste Elektrode ist vorzugsweise auf der orthogonal zur Z-Richtung liegenden Oberfläche der beweglichen Masse und eine zweite Elektrode im Abstand gegenüberliegend feststehend mit dem Sockel oder der Kapselung verbunden. Darüber hinaus kann auch auf der zweiten Oberfläche der beweglichen Masse eine weitere Elek­ trode vorgesehen sein, zu der im Abstand gegenüberliegend wieder feststehend eine weitere Elektrode mit dem Sockel verbunden ist. Durch das Vorsehen von vier Elektroden ist in einfacher Weise eine Differenzmessung der zwischen den sich jeweils gegenüberliegenden Elektroden einstellenden Kapazi­ täten möglich.

Darüber hinaus kann die erwähnte zweite Elektrode auch aus mehreren Teilelektroden bestehen, welche jeweils in einer parallel zur ersten Elektrode liegenden Ebene angeordnet sind. Durch eine derartige Aufsplittung der zweiten Elektro­ de in mindestens drei Teilelektroden, kann die Massebewegung gleichzeitig zweidimensional erfaßt werden.

Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit können die Elektroden eine kammförmige Struktur mit Fingern in Anregungsrichtung auf­ weisen, wobei die Finger der sich gegenüberliegenden Elek­ troden ineinandergreifen.

Anstelle der kapazitiven Signalauswertung mittels Elektroden ist es auch möglich, Piezowiderstände vorzusehen, die auf den Federungsstegen aufgebracht oder in die Federungsstege integriert sind. Hierfür werden mindestens zwei Piezowider­ stände vorgesehen, die bei Linearbeschleunigungen der seis­ mischen Masse ihren Widerstandswert entsprechend der Verfor­ mung der Federungsstege ändern. Das Ändern der Widerstands­ werte wird zur Signalerfassung herangezogen.

Das erfindungsgemäße Feder-Masse-System ist jedoch nicht lediglich auf das Abgreifen von Signalen beschränkt. Viel­ mehr können dem Feder-Masse-System über Elektroden auch ein oder mehrere geeignete elektrische Signale zugeführt werden, um die seismische Masse zur Bewegung anzuregen. Eine solche Bewegungsanregung ist insbesondere beim Einsatz des Fe­ der-Masse-Systems als Drehratensensor notwendig. Die Bewe­ gungsanregung der seismischen Masse erfolgt hierbei durch Bestromung der entsprechenden Elektroden in eine bestimmte Richtung mittels einer geeigneten Oszillatorschaltung. Die Messung der Drehrate und damit der Winkelgeschwindigkeit wird über die Corioliskraft, die eine im rotierenden System mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit bewegte Masse er­ fährt, vorgenommen. Hierbei wird ausgenutzt, daß die Corio­ liskraft dem Betrag der Winkelgeschwindigkeit proportional ist. Drehratensensoren spielen insbesondere in der Fahrzeug­ navigation eine bedeutende Rolle.

Ein besonderer Vorteil des integrierbaren Feder-Masse-Sy­ stems nach der Erfindung besteht in der Möglichkeit, die Federungsstegabschnitte der Federungsstege so auszugestal­ ten, daß bei gleich großer Krafteinwirkung getrennt in X- oder Y-Richtung auf die bewegliche Masse, eine sich unter­ schiedlich große Auslenkung der beweglichen Masse in X- bzw. Y-Richtung einstellt. Der Quotient der beiden unterschiedli­ chen Auslenkungen in X- und Y-Richtung kann z. B. ein ganz­ zahliges Vielfaches sein. Dies ist insbesondere deshalb von Vorteil, da die Eigenfrequenzschwingungen des Feder-Mas­ se-Systems hierdurch in X- und Y-Richtung unterschiedlich sind.

Bei der eingangs erwähnten Ausbildung des Feder-Masse-Sy­ stems mit rhombusförmigem Sockel bzw. rhombusförmigem Rahmen und dazwischenliegenden Federungsstegen, können diese beiden Eigenfrequenzen durch die Wahl der Innenwinkel des rhombus­ förmigen Feder-Masse-Systems gewählt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen im Zusammenhang mit elf Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles eines integrierbaren Feder-Masse-Systemes mit rhombusförmiger Struk­ tur des Rahmens und der beweglichen Masse in Draufsicht und Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des in Fig. 1 darge­ stellten Feder-Masse-Systems mit Meßelektroden und Gehäusekapselung,

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 bei Kraftein­ wirkung auf die bewegliche Masse in Y-Richtung,

Fig. 4 eine Darstellung ähnlich zu Fig. 1 mit Kraft­ einwirkung in X-Richtung auf die bewegliche Masse,

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fe­ der-Masse-Systems nach der Erfindung mit zylin­ derförmiger beweglicher Masse und zwei halb­ kreisförmigen Federungsstegen,

Fig. 6 eine Darstellung ähnlich zu Fig. 5 mit Kraft­ einwirkung in Y-Richtung auf die bewegliche Masse,

Fig. 7 eine Darstellung ähnlich zu Fig. 5 mit Kraft­ einwirkung in X-Richtung auf die bewegliche Masse,

Fig. 8 die Darstellung des erfindungsgemäßen Fe­ der-Masse-Systems als Drehratensensor mit Elektroden zur Schwingungsanregung und Elektro­ den zur Signalauswertung,

Fig. 9 eine mögliche Ausführungsform der Elektroden in kammförmiger Struktur,

Fig. 10 die prinzipielle Anordnung von zwei Feder-Mas­ se-Systemen nach der Erfindung zur Realisierung eines dreidimensionalen Neigungs- bzw. Be­ schleunigungssensors und

Fig. 11 die ausschnittsweise Darstellung eines Vibra­ tionssensors mit einer Vielzahl von parallel geschalteten Feder-Masse-Systemen nach der Erfindung.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszei­ chen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines integrierbaren Feder-Masse-Systems gemäß der Erfindung gezeigt. Das gesamte Feder-Masse-System ist aus einem einkristallinen Siliziummaterial herausstruk­ turiert. Das Feder-Masse-System ist sowohl in Draufsicht als auch in Schnittdarstellung entlang der Schnittlinien A-A′ dargestellt. Die Kristallorientierung des einkristallinen Siliziummaterials ist in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, daß das einkristalline Siliziummaterial orthogonal zur Z-Richtung eine (110)-Kristallebene aufweist. In der Draufsicht von Fig. 1 blickt der Betrachter auf diese (110)-Kristallebene.

Das in Fig. 1 dargestellte Feder-Masse-System weist eine in Draufsicht rhombusförmige seismische Masse 2 auf, die in Z-Richtung mindestens im wesentlichen steif und in X- und Y-Richtung beweglich über elastisch verformbare Federungs­ stege 3, 4 an einem außerhalb der seismischen Masse 2 be­ findlichen unbeweglichen Sockel 3 angebunden ist. Der unbe­ wegliche Sockel 1 umgibt die seismische Masse 2 in einem vorgegebenen Abstand rahmenförmig. Zwischen der seismischen Masse 2 und dem unbeweglichen Sockel 1 sind die zwei sich bei Krafteinwirkung auf die bewegliche seismische Masse 2 elastisch verformenden Federungsstege 3, 4 angeordnet. Der erste Federungssteg 3 ist an einem Anbindungspunkt 6 im Bereich der in der Draufsicht von Fig. 1 unten dargestell­ ten Spitze der seismischen Masse 2 befestigt und erstreckt sich bis etwa mittig in den Zwischenraum 6 zwischen seismi­ scher Masse 2 und feststehendem Sockel 1. Dieser erste Federungsstegabschnitt des ersten Federungssteges 3 ist mit 3a gekennzeichnet. An diesen ersten Federungsstegabschnitt 3a schließt sich ein zweiter Federungsstegabschnitt 3b an. Dieser zweite Federungsstegabschnitt 3b verläuft entspre­ chend der rhombusförmigen Gestaltung der seismischen Masse 2 im Zwischenraum 6 parallel zur gegenüberliegenden Kante der seismischen Masse 2. Dieser zweite Federungsstegabschnitt 3b erstreckt sich bis zur in Fig. 1 links dargestellten Spitze der seismischen Masse 2. An dieser Stelle schließt sich ein dritter Federungsstegabschnitt 3c an, welcher an seinem gegenüberliegenden Ende mit dem feststehenden Sockel verbun­ den ist. Auch der dritte Federungsstegabschnitt 3c verläuft im Zwischenraum 6 zwischen seismischer Masse 2 und festste­ hendem Sockel 1 parallel. Der gesamte Federungssteg 3 ist somit in etwa um die Hälfte der beweglichen Masse 2 zweimal geknickt herumgeführt. Der Anbindungspunkt des Federungs­ steges 3 am feststehenden Sockel 1 ist mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet.

Der zweite Federungssteg 4 ist in ähnlicher Weise an der seismischen Masse 2 und dem feststehenden Sockel 1 angebun­ den. Der Anbindungspunkt des zweiten Federungssteges 4 an der seismischen Masse 2 ist mit dem Bezugszeichen 8 gekenn­ zeichnet und liegt im Bereich der oberen Spitze der seismi­ schen Masse 2. Der zweite Federungssteg 4 erstreckt sich bis zur Mitte des Zwischenraumes 4 in einem ersten Federungs­ stegabschnitt 4a, um sich von dort in einem zweiten Fede­ rungsstegabschnitt 4b parallel zur nach rechts unten verlau­ fenden Außenkante der seismischen Masse 2 fortzusetzen. Am Ende des zweiten Federungsstegabschnittes 4b schließt sich der dritte Federungsstegabschnitt 4c an, um im Anbindungs­ punkt 9 am feststehenden Sockel 1 zu enden. Die sich gegen­ überliegenden Flächen des feststehenden Sockels 1, der Federungsstege 3 und 4 sowie der seismischen Masse 2 verlau­ fen bevorzugt parallel zueinander und weisen jeweils eine gleiche Höhe auf. Dies ist insbesondere für eine hohe mecha­ nische Stabilität des Feder-Masse-Systems vorteilhaft, da der Schwerpunkt der seismischen Masse 2 auch in bezug auf die Z-Richtung in der Mitte der Federungsstege 3, 4 liegt. Eine solche Struktur mit sich gegenüberliegend parallel verlaufenden Flächen ist in besonders einfacher Weise bei einkristallinem Siliziummaterial durch Ätzen erreichbar, dessen Kristallorientierung so gewählt ist, daß orthogonal zur Z-Richtung das einkristalline siliziummaterial eine (110)-Kristallebene aufweist. Der obere und untere Winkel der rhombusförmigen Struktur beträgt etwa 109°, während der rechte und linke Winkel etwa 71° beträgt. Eine derartige Rhombusstruktur stellt sich beim anisotropen Ätzen des einkristallinen Siliziummaterials bei der gegebenen Kri­ stallorientierung selbsttätig ein.

Wie in der Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie AA in Fig. 1 ersichtlich, weisen der Sockel 1, die Federungs­ stege 3 und 4 sowie die seismische Masse 2 eine gleiche Höhe auf. Die Höhe kann beispielsweise ca. 520 µm betragen. Als günstig hat sich eine Breite der Federungsstege von etwa 40 µm erwiesen. Der Zwischenraum 5 zwischen Federungssteg 3, 4 und seismischer Masse 2 einerseits und Federungssteg 3, 4 und feststehendem Sockel 1 kann auch etwa 40 µm breit sein. Die Länge der Federungsstegabschnitte 3b, 3c bzw. 4b und 4c kann beispielsweise 5,5 mm sein.

In Fig. 2 ist das in Fig. 1 vorgestellte Feder-Masse-Sy­ stem wieder in Schnittdarstellung entlang der Schnittlinien A-A′ dargestellt. Im Gegensatz zur Fig. 1 ist jetzt zusätz­ lich schematisch eine Einrichtung zum Abgreifen eines die Auslenkung des Feder-Masse-Systems entsprechenden Signales gezeigt. Die Einrichtung besteht im wesentlichen aus fünf Elektroden 10, 11, 12. Eine der Elektroden 12 ist großflä­ chig auf der Oberseite der seismischen Masse 2 angeordnet. Im Abstand hierzu gegenüberliegend befinden sich vier neben­ einander angeordnete Elektroden 10, 11 sowie 10a und 11a. Diese vier Elektroden 10, 10a, 11, 11a bilden zusammen mit der auf der Oberseite der seismischen Masse 2 befindlichen Elektrode 12 vier parallel geschaltete Plattenkondensatoren zur Lageerkennung in X- und Y-Richtung. Bei Bewegung der seismischen Masse 2 ändert sich die Überlappung der sich gegenüberliegenden Elektroden 10, 10a und 12 bzw. 11, 11a und 12, wodurch sich eine Kapazitätsänderung einstellt. Diese Kapazitätsänderung ist ein Maß für die Auslenkung der seismischen Masse 2 und damit der auf die seismische Masse 2 einwirkenden Linearbeschleunigung in X- und Y-Richtung.

Die vier Elektroden 10, 10a, 11, 11a sind an einem Gehäuse 13 bzw. einer Kapselung angebracht, die das Feder-Masse-Sy­ stem hermetisch abschließt. Hierfür weist die Kapselung 13 ein oberes Deckelteil 13a und ein unteres Deckelteil 13b auf, die mit dem Sockel 1 feststehend in Verbindung sind.

Die elektrische Zuleitung zu der Elektrode 12 auf der Ober­ seite der seismischen Masse 2 kann vorteilhafterweise über einen oder beide Federungsstege 3 und 4 erfolgen. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau des Feder-Mas­ se-Systems.

Für ein günstiges Dämpfungsverhalten ist es des weiteren möglich, daß der Zwischenraum 5 mit einem geeigneten Medium gefüllt wird. Der Zwischenraum 5 kann aber auch evakuiert sein.

Wesentlich bei dem vorgestellten Feder-Masse-System ist die Ausbildung der beiden Federungsstege 3, 4. Die Federungs­ stegabschnitte 3a, 3b und 3c bzw. 4a, 4b und 4c der beiden geknickt ausgebildeten Federungsstege 3 und 4 sind so auf­ einander abgestimmt, daß sie sowohl bei einer in X- als auch Y-Richtung gerichteten Trägheitskraft auf die bewegliche seismische Masse 2 ein sich je Federungssteg 3, 4 gegensei­ tig kompensierendes Verformungsverhalten zeigen. Durch eine derartige Wahl der Federungsstegabschnitte 3a bis 4c wird eine von der Krafteinwirkungsrichtung abweichende Auslenkung des jeweiligen Anbindungspunktes 6 bzw. 8 an der beweglichen Masse 2 eliminiert bzw. nahezu eliminiert. Die Querempfind­ lichkeit des erfindungsgemäßen Feder-Masse-Systems ist somit äußerst gering, was eine gerichtete Neigungs- bzw. Beschleu­ nigungsmessung in zwei zueinander linear unabhängigen Raum­ richtungen, hier der X- und Y-Richtungen, unabhängig vonein­ ander zuläßt.

Das sich je Federungssteg 3, 4 gegenseitig kompensierende Verformungsverhalten wird nachfolgend anhand der beiden Fig. 3 und 4 weiter erläutert. Gleiche Bezugszeichen stehen wieder für die bereits bekannten Teile mit gleicher Bedeutung. Der besseren Übersichtlichkeit wegen wurde in den Fig. 3 und 4 auf eine Darstellung des unbeweglichen Sockels 1, an dem die beiden Federungsstege 3 und 4 angebun­ den sind, verzichtet.

In Fig. 3 ist angenommen, daß gemäß der Pfeildarstellung in Y-Richtung eine Trägheitskraft F auf die seismische Masse 2 wirkt. Aufgrund dieser Kraftwirkung wird die seismische Masse 2 um die Strecke dy in Y-Richtung ausgelenkt. Die Ruheposition der seismischen Masse 2 ist in Fig. 3 und 4 strichliert gezeichnet. Wie erkennbar, wird die seismische Masse ausschließlich in Y-Richtung ausgelenkt, während eine Bewegung in x-Richtung und insbesondere eine translatorische Bewegung der seismischen Masse 2 mit Masseverschiebung in x-Richtung nicht stattfindet. Der Grund hierfür liegt in der Dimensionierung und Ausgestaltung der beiden Federungsstege 3 und 4. Die einzelnen Federungsstegabschnitte 3a, 3b und 3c des Federungssteges 3 kompensieren nämlich ihre elastische Verformung gegenseitig, ebenso wie die Federungsstegab­ schnitte 4a, 4b und 4c des gegenüberliegenden Federungs­ steges 4. Es ist aus Fig. 3 insbesondere ersichtlich, daß die elastische Verformung des Federungsstegabschnittes 3b durch den Federungsstegabschnitt 3a und die Verformung des Federungsstegabschnittes 4c durch den Federungsstegabschnitt 4b weitgehend kompensiert wird. Hierbei ist zu beachten, daß die beiden Anbindungspunkte 7 und 9 der beiden Federungs­ stege 3 und 4 aufgrund des unbeweglichen Sockels feststehend bleiben und ausgehend hiervon die Verbiegung der Federungs­ stege 3, 4 erfolgt.

In Fig. 4 ist eine ähnliche Darstellung zu Fig. 3 gezeigt. Die auf die seismische Masse 2 wirkende Trägheitskraft F ist jedoch jetzt in X-Richtung gerichtet. Die seismische Masse 2 wird jetzt ausschließlich in Kraftrichtung und damit in X-Richtung ausgelenkt. In der Darstellung von Fig. 4 wird die seismische Masse 2 im Vergleich zu ihrer strichliert dargestellten Ruhestellung um die Wegstrecke dx in x-Rich­ tung ausgelenkt. Eine Auslenkung der seismischen Masse in X-Richtung erfolgt dagegen nicht.

Ein besonderer Vorteil des integrierbaren Feder-Masse-Sy­ stems nach der Erfindung besteht in der Möglichkeit, die Federungsstegabschnitte der Federungsstege so auszugestal­ ten, daß bei gleich großer Krafteinwirkung getrennt in X- oder Y-Richtung auf die bewegliche Masse eine sich unter­ schiedlich große Auslenkung der beweglichen Masse in X- bzw. in Y-Richtung einstellt. Der Quotient der beiden unter­ schiedlichen Auslenkungen in X- und Y-Richtung kann z. B. ein ganzzahliges Vielfaches sein. Im Feder-Masse-System nach Fig. 1 ist dieser Quotient zwei, d. h. die Auslenkung in Y-Richtung ist bei gleich großer Krafteinwirkung auf die seismische Masse 2 doppelt so groß wie die Auslenkung in X-Richtung. Der Quotient ist durch die Winkelwahl des rohm­ busförmigen Siliziumblockes bestimmt. Bei anderer Winkelwahl stellt sich ein entsprechend anderer Quotient sein.

Wie aus den Fig. 1, 3 und 4 erkennbar, sind die beiden Federungsstege 3 und 4 an sich in bezug auf den Massenmit­ telpunkt der beweglichen Masse 2 gegenüberliegenden Anbin­ dungspunkten 7 und 9 am unbeweglichen Sockel 1 angeschlossen und in gleicher Richtung um etwa die halbe Umlaufsfläche der beweglichen Masse 2 herumgeführt.

Wenngleich in den bisherigen Darstellungen von zweifach geknickt ausgebildeten Federungsstegen 3, 4 die Rede war, ist prinzipiell jede andere Federungsstegführung auch mög­ lich. Gemäß der Erfindung ist es lediglich notwendig, daß die Federungsstege 3, 4 so ausgestaltet werden, daß sich bei einer Krafteinwirkung jeder der Federungsstege 3, 4 so elastisch verformt, daß sich der zugehörende Anbindungspunkt 6, 8 ausschließlich in Kraftrichtung bewegt. Unter dieser Bedingung können die Federungsstege 3, 4 beliebig polygonal ausgebildet sein.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf zwei Federungsstege, wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, beschränkt. Vielmehr können auch mehrere Federungsstege unter der vorgenannten Bedingung zur Anbindung der seismischen Masse 2 an den unbeweglichen Sockel 1 vorgesehen werden. Des weiteren ist es nicht zwingend erforderlich, daß die Federungsstege geknickt ausgebildet werden. Es sind auch gekrümmt gestalte­ te Federungsstege möglich, wie in den nachfolgenden Fig. 5 bis 7 illustriert.

In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fe­ der-Masse-Systems gemäß der Erfindung dargestellt. Die seismische Masse 2 ist jetzt nicht, von der Oberseite her gesehen, rhombusförmig, sondern kreisförmig gestaltet. Dreidimensional betrachtet ist die seismische Masse 2 als Zylinder ausgebildet. Diese seismische Masse 2 weist bei Betrachtung der Fig. 5 an ihrer obersten und untersten Stelle jeweils einen Anbindungspunkt 6 und 7 auf. An diesen beiden Anbindungspunkten 6 und 7 ist wieder jeweils ein Federungssteg 3, 4 angebunden. Die beiden Federungsstege 3 und 4 sind jetzt jedoch nicht geknickt ausgestaltet, sondern gekrümmt. Die beiden Federungsstege 3 und 4 sind gemäß Fig. 5 im wesentlichen halbkreisförmig gestaltet. Am Anbindungs­ punkt 6 beginnt der erste Federungssteg 3, der an seinem anderen Ende am lediglich schematisch dargestellten unbeweg­ lichen Sockel 1 angebunden ist. Der Kurvenverlauf des Fede­ rungssteges 3 hat im Vergleich zur seismischen Masse 2 einen deutlich größeren Radius, so daß der Zwischenraum 5 zwischen äußerem Rand der seismischen Masse 2 und Federungssteg 3, ausgehend vom Anbindungspunkt 6, zunimmt. Der Federungssteg 3 weist wiederum drei Federungsstegabschnitte auf, nämlich einen ersten viertelkreisförmigen Federungsstegabschnitt 3a, einen sich daran anschließenden ebenfalls viertelkreisförmi­ gen Federungsstegabschnitt 3b und einen kurzen letzten linearen Federungsstegabschnitt 3c, an dessen Ende der unbewegliche Sockel 1 angeschlossen ist. Der zweite Fede­ rungsstegabschnitt 4 ist in ähnlicher Weise halbkreisförmig gestaltet, jedoch an dem obersten Punkt, der den Anbindungs­ punkt 7 der seismischen Masse 2 bildet, angebunden. Ausge­ hend von diesem obersten Punkt der seismischen Masse 2 umgibt der zweite Federungssteg 4 halbkreisförmig die seis­ mische Masse 2, um am anderen Ende am unbeweglichen Sockel 1 festgelegt zu sein. Der zweite Federungssteg 4 weist eben­ falls wieder drei Federungsstegabschnitte 4a, 4b und 4c auf.

Auch diese im wesentlichen halbkreisförmig gekrümmt ausge­ bildeten Federungsstege 3, 4 verfügen über ein sich gegen­ seitig kompensierendes Verformungsverhalten, um eine von der Krafteinwirkungsrichtung abweichende Auslenkung der bewegli­ chen Masse 2 zumindest nahezu zu eliminieren. Dies wird anhand der nachfolgenden Fig. 6 und 7 der Deutlichkeit halber illustriert.

In Fig. 6 ist angenommen, daß auf die seismische Masse 2 eine Trägheitskraft F in Y-Richtung wirkt. Die seismische Masse 2 wird demzufolge in Y-Richtung um die Strecke dy ausgelenkt. Dank der entsprechend dimensionierten Federungs­ stege 3 und 4 findet eine Auslenkung der seismischen Masse 2 ausschließlich in Kraftwirkungsrichtung statt. Dies ist deshalb möglich, da sich die einzelnen Federungsstegab­ schnitte hinsichtlich ihres Verformungsverhaltens gegensei­ tig kompensieren.

In Fig. 7 wirkt die Trägheitskraft F in x-Richtung auf die seismische Masse 2. Die beiden Federungsstege 3 und 4 ver­ formen sich aufgrund dieser Krafteinwirkungsrichtung derart, daß die seismische Masse ausschließlich in X-Richtung bewegt wird.

Der wesentliche Vorteil eines solch aufgebauten Feder-Mas­ se-Systems liegt darin, daß durch eine geeignete Variation der Federzwischenräume 6 eine gezielte Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens der seismischen Masse 2 möglich ist. Werden die Federungsstege 3, 4 gleich hoch wie die seismi­ sche Masse 2 ausgebildet, liegt darüber hinaus der Massen­ schwerpunkt symmetrisch innerhalb des Anbindungsbereiches, so daß bei lateral er Stoßbelastung die Torsionsbelastung der Federungsstege 3, 4 gegenüber einer exzentrischen Aufhängung stark reduziert ist. Eine geringe Bruchempfindlichkeit ist die Folge.

Das erfindungsgemäße Feder-Masse-System eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere als Beschleuni­ gungs-/Neigungssensor für zweidimensionale oder dreidimen­ sionale Anwendungen. Darüber hinaus ist das Feder-Masse-Sy­ stem nach der Erfindung insbesondere auch zum Einsatz als Vibrationssensor und zum Einsatz als Drehratenmesser bestens geeignet. In Fig. 8 ist ausschnittsweise in Schnittdarstel­ lung der Aufbau eines Drehratensensors dargestellt. Die Anordnung in Fig. 8 oben ist weitgehend identisch zur Schnittdarstellung in Fig. 2, jedoch nur ausschnittsweise dargestellt. Die auf der Oberseite der seismischen Masse 2 angeordnete Elektrode 12 ist jetzt jedoch kammförmig mit Fingern strukturiert. Ebenso die darüber liegende Elektrode 11, die auf der Unterseite des oberen Deckels 13a der Kapse­ lung 13 angeordnet ist. Die beiden Elektroden 12 und 11 werden über eine Oszillatoreinrichtung 24 mit Wechselstrom versorgt. Auf der Unterseite der seismischen Masse 2 ist ebenfalls eine Elektrode 16 großflächig aufgebracht. Gegen­ überliegend zu dieser Elektrode 16 befinden sich im Abstand zueinander vier Teilelektroden 17a, 17b, 17c und 17d, die jeweils parallel zur Elektrode 16 in einer Ebene liegen. Die Kapazitätsänderung zwischen der Elektrode 16 und den vier Teilelektroden 17a bis 17d ist ein Maß für die Auslenkung der seismischen Masse 2 bei einer auftretenden Winkelbe­ schleunigung. Die Kapazitätsänderung zwischen den Elektroden 16 und 17a bis 17d ist von der sich bei Bewegung der Masse 2 ändernden Überlappung gegenüberliegender Elektrodenflächen abhängig. Die in Fig. 8 dargestellten Teilelektroden 17b und 17d stellen z. B. Referenzelektroden dar, die in Verbin­ dung mit der auf der Unterseite der seismischen Masse 2 angeordneten Elektrode 16 eine Verschiebungsmessung in X-Richtung erlauben. Die beiden Teilelektroden 17a und 17c ermöglichen dagegen in Verbindung mit der Elektrode 16 z. B. eine Verschiebungsmessung in Y-Richtung.

Zur Verbesserung der Meßempfindlichkeit ist es möglich, die Teilelektroden 17a bis 17d und die Elektrode 16 auch struk­ turiert auszubilden. Beispielsweise können die Teilelektro­ den 17a bis 17d und die Elektrode 16 kammförmig mit Fingern strukturiert sein. In diesem Fall ist zu gewährleisten, daß die Ausrichtung der sich gegenüberliegenden Finger der Elektrode 16 und der entsprechenden Teilelektroden 17a bis 17d parallel zueinander gewählt ist (vgl. Fig. 9).

In Fig. 8 sind zusätzlich mit 23 die Orientierung der angeregten Schwingung, mit 25 die Achse der Drehbewegung mit Winkelgeschwindigkeit Q, mit 26 die Wirkungsrichtung der Zentrifugalbeschleunigung und mit 27 die Wirkungsrichtung der Coriolisbeschleunigung bezeichnet. An Klemmen 28 ist die zu messende Kapazität abgreifbar.

In Fig. 10 sind zwei erfindungsgemäße Feder-Masse-Systeme orthogonal zueinander ausgerichtet dargestellt. Mit einer derartigen Anordnung der beiden Feder-Masse-Systeme, was ohne weiteres innerhalb eines einzelnen Halbleiterblockes mikromechanisch realisiert sein kann, ist eine dreidimensio­ nale Auswertung von Linearbeschleunigungen möglich. Es ist lediglich dafür Sorge zu tragen, daß ein Feder-Masse-System lateral in die Richtung bewegbar ist, in der das andere Feder-Masse-System steif ist.

In Fig. 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darge­ stellt, wie das erfindungsgemäße Feder-Masse-System einge­ setzt werden kann. Die Darstellung von Fig. 11 zeigt den Aufbau eines Vibrationssensors mit einer Vielzahl von paral­ lel zueinander geschalteten Feder-Masse-Systemen nach der Erfindung. Die einzelnen Feder-Masse-Systeme weisen vorteil­ hafterweise unterschiedliche Eigenfrequenzen der Schwingmo­ den auf, um hierdurch einen weiten zu überwachenden Fre­ quenzbereich erfassen zu können. Solche Vibrationssensoren sind insbesondere zum Einsatz bei der Motorenkontrolle vorgesehen. Die Eigenfrequenzen der einzelnen Feder-Mas­ se-Systeme sind durch die Dimensionierung der Federungsstege und der seismischen Masse bestimmt. Sind die Federungsstege so ausgestaltet, daß bei gleichgroßer Krafteinwirkung ge­ trennt in X- und Y-Richtung auf die bewegliche Masse eine sich unterschiedlich große Auslenkung der beweglichen Masse in X- bzw. Y-Richtung einstellt, so können darüber hinaus pro Feder-Masse-System zwei unterschiedliche Eigenfrequenzen in X- und Y-Schwingungsrichtung eingestellt werden, was für eine hohe Meßempfindlichkeit zusätzlich von Vorteil ist. Der Quotient der beiden unterschiedlichen Auslenkungen in X- und Y-Richtung wird vorzugsweise als ganzzahliges Vielfaches gewählt.

Bezugszeichenliste

1 Sockel, Rahmen
2 seismische Masse
3 Federungssteg
3a erster Federungsstegabschnitt
3b zweiter Federungsstegabschnitt
3c dritter Federungsstegabschnitt
4 Federungssteg
4a erster Federungsstegabschnitt
4b zweiter Federungsstegabschnitt
4c dritter Federungsstegabschnitt
5 Zwischenraum
6, 7, 8, 9 Anbindungspunkt
10, 11, 12 Elektrode
13 Gehäuse, Kapselung
13a oberes Deckelteil
13b unteres Deckelteil
16 Elektrode
17a, b, c, d Teilelektroden
23 Orientierung der angeregten Schwingung
24 Oszillatoreinrichtung
25 Achse der Drehbewegung
26 Wirkungsrichtung der Zentrifugalbeschleunigung
27 Wirkungsrichtung der Coriolisbeschleunigung
28 Klemmen
F Kraft, Trägheitskraft
X, Y, Z Richtung

Claims (21)

1. Integrierbares Feder-Masse-System mit einer einzigen in Z-Richtung mindestens im wesentlichen steifen und in X- und Y-Richtung beweglichen Masse und mit einem außerhalb der Masse liegenden unbeweglichen Sockel, an welchem die bewegliche Masse über mindestens zwei bei Krafteinwir­ kung auf die bewegliche Masse sich elastisch verformen­ den Federungsstege angebunden ist, wobei die Federungs­ stege an Anbindungspunkten der beweglichen Masse und des Sockels endseitig befestigt sind, sowie mit einer Ein­ richtung zum Abgreifen eines die Auslenkung des Feder- Masse-Systems entsprechenden Signales, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Federungsstege gekrümmt und/oder geknickt ausgebildet sind und jeweils Federungsstegab­ schnitte aufweisen, die sowohl bei einer in X- als auch Y-Richtung gerichteten Krafteinwirkung auf die bewegli­ che Masse ein sich je Federungssteg gegenseitig kompen­ sierendes Verformungsverhalten zeigen, um eine von der Krafteinwirkungsrichtung abweichende Auslenkung des jeweiligen Anbindungspunktes an der beweglichen Masse zumindest nahezu zu eliminieren.

2. Integrierbares Feder-Masse-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federungsstege minde­ stens teilweise um die bewegliche Masse herumgeführt sind.

3. Integrierbares Feder-Masse-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Federungsstege vorgese­ hen sind, welche an sich in bezug auf einen Massenmit­ telpunkt der beweglichen Masse gegenüberliegenden Anbin­ dungspunkten am Sockel angeschlossen und jeweils in gleicher Richtung um etwa die halbe Umlaufsfläche der beweglichen Masse herumgeführt sind.

4. Integrierbares Feder-Masse-System nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Masse und die Federungsstege in Bezug auf die Z-Richtung eine gleiche Höhe aufweisen.

5. Integrierbares Feder-Masse-System nach einem der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel als polygonaler Rahmen ausgebildet ist, daß die bewegliche Masse eine entsprechend ausgebildete polygonale Obersei­ te aufweist, daß die bewegliche Masse mit ihren Kanten parallel zum polygonalen Rahmen beabstandet verläuft, und daß die Federungsstege im Zwischenraum zwischen der beweglichen Masse und dem Rahmen verlaufen.

6. Integrierbares Feder-Masse-System nach einem der Ansprü­ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Feder-Mas­ se-System aus Halbleitermaterial gebildet ist.

7. Integrierbares Feder-Masse-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial einkristallines Siliziummaterial ist.

8. Integrierbares Feder-Masse-System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial einkristallines Siliziummaterial ist, dessen Kristall­ orientierung so gewählt ist, daß orthogonal zur Z-Rich­ tung das einkristalline Siliziummaterial eine (110)-Kri­ stallebene aufweist.

9. Integrierbares Feder-Masse-System nach einem der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung mindestens zwei Elektroden zur kapazitiven Auswertung der Massebewegung aufweist.

10. Integrierbares Feder-Masse-System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Elektrode auf der orthogonal zur Z-Richtung liegenden Oberfläche der beweglichen Masse und eine zweite Elektrode im Abstand gegenüberliegend feststehend und mit dem Sockel verbun­ den angeordnet ist.

11. Integrierbares Feder-Masse-System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode aus vier Teilelektroden besteht, welche jeweils in einer parallel zur ersten Elektrode liegenden Ebene angeordnet sind.

12. Integrierbares Feder-Masse-System nach einem der Ansprü­ che 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektroden fingerartig strukturiert sind.

13. Integrierbares Feder-Masse-System nach einem der Ansprü­ che 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Piezowiderstände aufweist, die auf den Federungsstegen aufgebracht oder in die Federungsstege integriert sind.

14. Integrierbares Feder-Masse-System nach einem der Ansprü­ che 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich­ tung weitere Elektroden zur Bewegungsanregung der beweg­ lichen Masse bei Bestromung der weiteren Elektroden aufweist.

15. Integrierbares Feder-Masse-System nach einem der Ansprü­ che 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Federungs­ stegabschnitte der Federungsstege so ausgestaltet sind, daß bei gleichgroßer Krafteinwirkung getrennt in X- oder Y-Richtung auf die bewegliche Masse, eine sich unter­ schiedlich große Auslenkung der beweglichen Masse in X- bzw. Y-Richtung einstellt.

16. Integrierbares Feder-Masse-System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient der beiden unterschiedlichen Auslenkungen in X- und Y-Richtung ein ganzzahliges Vielfaches ist.

17. Verwendung eines integrierbaren Feder-Masse-Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Beschleunigungssensor oder Neigungssensor für zweidimensionale Anwendungen.

18. Verwendung eines integrierbaren Feder-Masse-Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Beschleunigungssensor oder Neigungssensor für dreidimensionale Anwendungen, indem zwei identische integrierbare Masse-Feder-Systeme orthogonal zueinander ausgerichtet werden und die durch die Einrichtungen der beiden Systeme abgreifbaren Signa­ le gemeinsam verarbeitet werden.

19. Verwendung eines integrierbaren Feder-Masse-Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Vibrationssensor, indem eine Vielzahl solcher integrierbarer Feder-Masse-Systeme mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen des Feder-Mas­ se-Systems parallel geschaltet werden.

20. Verwendung eines integrierbaren Feder-Masse-Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Drehratenmessung, indem die bewegliche Masse in Z-Richtung zum Schwingen ange­ regt und die Auslenkung der beweglichen Masse in X- und Y-Richtung ausgewertet wird.

21. Verwendung eines integrierbaren Feder-Masse-Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zur Drehratenmessung, indem die bewegliche Masse in X- oder Y-Richtung zum Schwingen angeregt und die Auslenkung der beweglichen Masse in Y- und X-Richtung ausgewertet wird.