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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen planaren Trägheitssensor,
insbesondere für tragbare
Vorrichtungen mit einer Standby-Funktion vom Typ mit mikroelektromechanischem
System (MEMS).
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Insbesondere
ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Trägheitssensor
zum Detektieren von Bewegung, der ein Signal mit kapazitiver Veränderung
als eine Funktion einer Eingangsbeschleunigung mit einer beliebigen
Richtung parallel zur Ebene des Sensors erzeugt.
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Der
vorliegende Sensor kann vorteilhaft als ein Trägheitsschalter, zum Beispiel
zum Reaktivieren von tragbaren elektronischen Vorrichtungen, wie
z. B. Palmtop-Computern, Mobiltelefonen, Taschenvideospielen oder
Rechnern, aus dem Standby-Modus verwendet werden. Diese Vorrichtungen
sind tatsächlich
in der Lage, wenn sie nicht verwendet werden, einige ihrer Komponenten
oder einige ihrer Funktionen auszuschalten oder in einen Standby-Modus
zu versetzen, um den Verbrauch elektrischer Energie zu reduzieren.
Folglich besteht das Problem der Reaktivierung der vollen Funktionalität, sobald
die Vorrichtung den Ruhezustand verlässt. Zu diesem Zweck wird Beschleunigung
detektiert und ein Befehl zum Verlassen des Standby-Modus erteilt, wenn
diese Beschleunigung höher
ist als ein gegebener Schwellenwert.
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Trägheitsvorrichtungen
zum Detektieren von Bewegung sind bekannt und können Beschleunigung in eine
oder mehrere Richtungen detektieren. Sie weisen allgemein ein Bewegungselement
und einen ortsfesten Körper
auf, wobei das Bewegungselement sich als Antwort auf eine Beschleunigung
in Bezug auf den ortsfesten Körper
bewegen kann. Die Bewegung des Bewegungselements bewirkt die Veränderung
eines elektrischen Signals, das von einer geeigneten Steuerschaltung
verwendet werden kann.
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Die
meisten bekannten Vorrichtungen zur Detektierung von Bewegung werden
gegenwärtig von
Objekten mit großen
Abmessungen gebildet.
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Zum
Beispiel sind Trägheitsvorrichtungen bekannt,
die aus einem mit Quecksilber oder anderen leitfähigen Flüssigkeiten gefüllten Glaskolben
bestehen und eine Mehrzahl von Elektroden beherbergen, die im Fall
von Kontakt zwischen den Elektroden und der Flüssigkeit auf eine Auslenkung
der Vorrichtung hin das Detektieren einer Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit
ermöglichen.
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Auch
bekannt (siehe zum Beispiel das Patent mit der Nummer
US-A-4 337 402 ) sind Schalter zum
Detektieren von Bewegung, die aus einem nicht-leitfähigen zylindrischen
Körper,
der eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten beherbergt, die entlang
seines Umfangs angeordnete parallele Bahnen bilden, und einer leitfähigen Kugel,
die mittels zweier leitfähiger
Federn in der Nähe
der elektrischen Kontakte aufgehängt
ist, gebildet sind. Wenn sie sich in eine waagerechte oder senkrechte
Richtung bewegt, tritt die Kugel in Kontakt mit den leitfähigen Bahnen und
erzeugt ein Aktivierungssignal.
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In
letzter Zeit wurde die Verwendung von MEMS-Technik für Trägheitsbewegungsdetektierungssensoren
vorgeschlagen. Diese Sensoren weisen einen beweglichen Teil und
einen ortsfesten Teil, beide aus leitfähigem Material (Silizium und/oder
Metall) auf, die kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Die Bewegung
des beweglichen Teils in Bezug auf den ortsfesten Teil in Anwesenheit
einer Beschleunigung bewirkt eine von einer zugehörigen Steuerschaltung detektierbare
Kapazitätsveränderung.
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Insbesondere
bewegt sich, wenn der bewegliche Teil von einem aufgehängten Bewegungselement
gebildet wird, im Fall einer auf die Vorrichtung wirkenden Beschleunigung
das aufgehängte
Bewegungselement in Bezug auf den ortsfesten Teil entsprechend der
Translation oder Rotation, Freiheitsgraden, die dem aufgehängten Bewegungselement entsprechend
dem speziellen Aufhängungstyp
erlaubt sind. Die Freiheitsgrade entsprechen den bevorzugten Detektierungsachsen
des Sensors, da die Auslenkung des Bewegungselements maximal ist, wenn
die Beschleunigung eine zu einer dieser Achsen parallele Richtung
hat, und ansonsten wesentlich kleiner ist.
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Gegenwärtig führen Trägheitssensoren
Detektierung von Bewegung in eine oder höchstens zwei bevorzugte, zum
Beispiel zu der Ebene des aufgehängten
Bewegungselements parallele, Detektierungsrichtungen aus. Wenn eine
Detektierung der Bewegung mit einer Anzahl von bevorzugten Detektierungsrichtungen
erwünscht
ist, ist es deshalb notwendig, den Sensor eine entsprechende Anzahl
von Malen innerhalb derselben Vorrichtung zu replizieren, was offensichtliche
Probleme der Zunahme der Größe und Schaltungskomplexität mit sich
bringt.
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Im
speziellen Fall von Trägheitsschaltern sieht
deren Betrieb die Erzeugung eines Bewegungsdetektierungsimpulses
vor, sobald die Beschleunigungskomponente einen bestimmten Schwellenwert in
eine der bevorzugten Detektierungsrichtungen übersteigt. Normalerweise ist
diesem Schwellenwert ein geeigneter Wert zugeordnet, um eine durch
Störungen
verschiedener Natur bedingte falsche Detektierung zu verhindern;
allgemein ist der Detektierungsschwellenwert für alle Bewegungsrichtungen der
gleiche.
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Der
Nachteil dieser Trägheitsvorrichtungen ist
durch die Tatsache bedingt, dass im Fall von Bewegungen in eine
andere Richtung der Ebene als auf den bevorzugten Detektierungsachsen
die zum Überschreiten
des Schwellenwerts notwendige Beschleunigung höher ist als im Fall von Bewegungen in
die bevorzugten Detektierungsrichtungen. Folglich kann eine Beschleunigung,
auch wenn sie eine höhere
Intensität
hat als der voreingestellte Schwellenwert, nicht detektiert werden,
wenn ihre Richtung wesentlich von den bevorzugten Detektierungsachsen abweicht
und ihre Komponenten entlang der bevorzugten Detektierungsachsen
kleiner sind als ein voreingestellter Schwellenwert.
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Um
dieses üblicherweise
als Schwellenwertfehler bekannte Problem zu überwinden, ist es möglich, den
Detektierungsschwellenwert zu senken; diese Lösung ist jedoch nicht zufriedenstellend,
da sie die Detektierung selbst von Störungen mit geringer Intensität bewirkt.
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In
der
italienischen
Patentanmeldung Nr. T02003A000142 , angemeldet am 28.02.2003
im Namen der vorliegenden Anmelderin, wird die Verwendung einer
Trägheitsvorrichtung
vorgeschlagen, die zwei Bewegungssensoren aufweist, von denen jeder eine
entsprechende bevorzugte Detektierungsrichtung (die zueinander orthogonal
sind) und zwei Detektierungsschwellenwerte mit verschiedenen Werten
hat. Insbesondere bezieht sich ein erster Schwellenwert mit einem
höherem
Wert auf Beschleunigungen, die in eine der bevorzugten Detektierungsrichtungen
gerichtet sind, und bezieht sich ein zweiter Schwellenwert mit einem
niedrigeren Wert auf Beschleunigungen, die in andere Richtungen
gerichtet sind. Grundsätzlich
detektiert die Vorrichtung eine Bewegung, wenn mindestens eine der
zwei Komponenten des Beschleunigungssignals entlang der Detektierungsachsen
größer ist
als der erste obere Schwellenwert, oder sonst, wenn beide Komponenten
gleichzeitig größer sind
als der zweite niedrigere Schwellenwert.
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Auf
diese Weise werden die Schwellenwertfehler vernünftig reduziert, aber muss
die Leseelektronik verdoppelt werden, da sie doppelt so viele Schwellenkomparatoren
und eine zusätzliche
Logik zum Steuern der Logikbeziehungen zwischen den Signalen am
Ausgang der Komparatoren aufweisen muss.
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Die
gleiche Technik kann außerdem
so erweitert werden, dass der Schwellenwertfehler durch das Aufweisen
einer höheren
Anzahl von bevorzugten Detektierungsrichtungen und somit von Schwellenkomparatoren
und zusätzlichen
Schwellenwerten reduziert wird, was jedoch den offensichtlichen
Nachteil mit sich bringt, dass die Komplexität der Leseelektronik weiter
erhöht
wird.
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US-A-5 864 064 offenbart
einen Beschleunigungssensor, der ein Substrat, eine durch Beschleunigung
auszulenkende zylinderförmige
bewegliche Elektrode, eine ortsfeste Elektrode, die koaxial zu der beweglichen
Elektrode ist und aus deren Innenseite ein Zylinder ausgehöhlt ist,
und einen zylinderförmigen
Anker, der auf dem Substrat angeordnet ist, um die bewegliche Elektrode
durch elastische Spiralenträger
zu tragen, aufweist. Der Sensor detektiert eine Beschleunigung in
einer zweidimensionalen Ebene nicht direktional und annähernd einheitlich,
da eine von einer beliebigen Richtung einer solchen Ebene aufgebrachte
Beschleunigung bewirkt, dass eine Detektierungsfläche der
beweglichen Elektrode nahe an eine gegenüberliegende Detektierungsfläche der ortsfesten
Elektrode mit annähernd
der gleichen Größe gebracht
wird.
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Die
Patentzusammenfassungen aus Japan Band 2000, Nr. 14, 5. März 2001
(2001-03-05) – &
JP 2000 304766 A (DENSO
CORP), 2. November 2000 (2000-11-02),
offenbaren eine Beschleunigungssensorvorrichtung, die ein auf einem
Substrat befestigtes Ankerelement, eine bewegliche Gewichtselektrode, die
mittels eines Trägerelements
von dem Ankerelement getragen wird, und eine ortsfeste Elektrode
mit einer Umfangsseitenoberfläche,
die einer Umfangsseitenoberfläche
der beweglichen Gewichtselektrode gegenüberliegt, aufweist. Eine Kapazitäts-Spannungs-Wandlungsschaltung
wandelt eine von der beweglichen Gewichtselektrode und der ortsfesten Elektrode
gebildete Kapazität
in eine Spannung um und ein Komparator vergleicht diese Spannung
mit einer Bezugsspannung, um ein Sensorsignal auszugeben.
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EP-A-0 833 537 offenbart
eine Mobiltelefonvorrichtung mit Energiesparmodus, die eine Detektionsschaltung
zum Detektieren, ob sich die Mobiltelefonvorrichtung in einem beweglichen
oder in einem statischen Zustand befindet, und eine Steuerschaltung
zum Stoppen der Energieversorgung, wenn sich die Mobiltelefonvorrichtung
in dem statischen Zustand befindet, aufweist; die Detektionsschaltung weist
einen Beschleunigungssensor auf.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Trägheitssensor zu schaffen, der
die oben hervorgehobenen Probleme überwindet.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich deshalb auf einen wie in Anspruch
1 definierten planaren Trägheitssensor.
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Insbesondere
ist ein planarer Trägheitssensor
beschrieben, der das Problem des Schwellenwertfehlers vernünftig reduziert,
insofern als sich das Bewegungselement in jede beliebige Richtung
der Ebene bewegen kann und folglich auf Beschleunigungen in jede
beliebige Richtung seiner eigenen Ebene hin eine kapazitive Veränderung
erzeugen kann. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die kapazitive
Veränderung
vorteilhafterweise isotrop stattfinden, d. h. sie ist von der Richtung
der detektierten Beschleunigung unabhängig.
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung werden nun rein mittels nicht-einschränkender
Beispiele einige bevorzugte Ausführungsformen
da von mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In
denen zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf den Trägheitssensor gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung im Ruhezustand;
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2 eine
der vorherigen ähnliche
Ansicht nach Auslenkung aus dem Ruhezustand;
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3 einen
Graph der von dem Sensor aus 1 als Antwort
auf eine Auslenkung aus dem Ruhezustand erzeugten kapazitiven Veränderung;
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4 eine
Draufsicht von oben auf eine tragbare elektronische Vorrichtung,
die den Sensor aus 1 aufweist;
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5 eine
detailliertere Draufsicht von oben auf den Sensor aus 1;
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6 eine
schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des Sensors aus 1;
und
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7 eine
schematische Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des Sensors aus 1.
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1 erläutert schematisch
eine erste Ausführungsform
eines Trägheitssensors 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Der
Trägheitssensor 1 weist
ein bewegliches zentrales Bewegungselement (nachstehend als Rotor 2 bezeichnet)
und ein den Rotor 2 umgebendes ortsfestes Element (nachstehend
als Stator 3 bezeichnet) auf. Auf eine nicht gezeigte Weise
ist der Rotor 2 über
einem Substrat aus Halbleitermaterial aufgehängt und so daran verankert,
dass er mit Bezug auf den Stator 3 in jede beliebige Richtung
der Ebene des Rotors 2 eine Translation ausführen kann. Vorzugsweise
wird der Rotor 2 von einem zentralen Anker gehalten, der
von einem von dem Substrat hervorragenden Stift gebildet wird. Alternativ
kann der Rotor 2 durch (nicht gezeigte) Federn mit der
ortsfesten Struktur verbunden (aber vom Stator 3 elektrisch isoliert)
sein, die koplanar zu dem Rotor 2 und zu dem Stator 3 sind
und deren Bewegung in der Ebene ermöglichen.
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Der
Rotor 2 und der Stator 3 bilden die zwei Platten
eines Kondensators, dessen Kapazität von der Entfernung zwischen
ihnen abhängt
und folglich gemäß der Auslenkung
des Rotors 2 mit Bezug auf den Stator 3 variabel
ist.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform hat der Trägheitssensor 1 Eigenschaften
perfekter Isotropie, da der Rotor 2 ein kreisförmiges Bewegungselement
ist und der Stator 3 ein Ring ist, der den Rotor 2 umgibt.
In 1 werden der Radius des Rotors 2 bzw.
der innere Radius des Stators 3 mit a und b bezeichnet.
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Im
Ruhezustand, d. h. in Abwesenheit von auf den Trägheitssensor 1 wirkenden
Beschleunigungen sind der Rotor 2 und der Stator 3 völlig konzentrisch.
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Beim
Vorhandensein einer Beschleunigung bewegt sich der Rotor 2 mit
Bezug auf den Stator 3, wobei er sich selber in eine Konfiguration
des in 2 dargestellten Typ versetzt, wobei c den Abstand
zwischen den Zentren des Rotors 2 und des Stators 3 anzeigt.
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Es
sollte betont werden, dass der Rotor 2 dank der Struktur
des Trägheitssensors 1 beim
Vorhandensein jeglicher Beschleunigung mit einer in der Ebene des
Rotors 2 liegenden Richtung aus der Ruheposition verlagert
wird.
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Vorzugsweise
wird die Detektierung der Auslenkung in dem so genannten einseitigen
Modus erreicht, da die durch die Bewegung zwischen einem beweglichen
Teil (dem Rotor 2) und einem ortsfesten Teil (dem Stator 3)
bewirkte kapazitive Veränderung einfach
gemessen wird.
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Im
Detail ist die Kapazität
eines von zwei parallelen kreisförmigen
zylindrischen Elektroden gebildeten Kondensators mit einem Abstand
c zwischen ihren Zentren gegeben durch:
wobei I die Dicke der Platten
(d. h. die Dicke des Rotors
2 und des Stators
3)
anzeigt; und ε
0 die dielektrische Konstante des leeren
Raumes ist.
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Wie
aus der Formel ersichtlich wird, hängt die Kapazität außer von
den geome trischen Abmessungen des Rotors 2 und des Stators 3 nur
von ihrer relativen Position ab.
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Die
Abhängigkeit
der Kapazität
C von der Veränderung
des Abstands c zwischen den Zentren des Rotors 2 und des
Stators 3 und somit von ihrer relativen Auslenkung ist
in 3 dargestellt. Wie aus dem Graph zu ersehen ist,
ist dieser Verlauf hyperbolisch, wobei die kapazitive Veränderung
in Bezug auf die Ruhesituation zunimmt, wenn der Abstand c zwischen
den Zentren zunimmt.
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Eine
(nicht erläuterte)
Steuerelektronik ist daher in der Lage, die Auslenkung des Rotors 2 in Bezug
auf den Stator 3 entsprechend den Änderungen in der daraus entstehenden
Kapazität
auszuwerten.
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Es
ist offensichtlich, dass ein Trägheitssensor
vom beschriebenen Typ keine bevorzugten Detektierungsrichtungen
hat, da die kapazitive Veränderung
eine direkte Funktion der Auslenkung in jede beliebige Richtung
der Ebene und nicht der einzelnen Komponenten in voreingestellte
Bezugsrichtungen ist.
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Ferner
ist dieser Sensor zusätzlich
dazu, dass er völlig
omnidirektional ist, auch völlig
isotrop, da Auslenkungen mit identischer Amplitude in jede beliebige
Richtung eine identische kapazitive Veränderung bewirken.
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Diese
Eigenschaften sind besonders vorteilhaft, wenn der beschriebene
Trägheitssensor,
wie in 4 erläutert,
zur Reaktivierung von tragbaren elektronischen Vorrichtungen aus
dem Standby verwendet wird, wobei der Trägheitssensor 1 in
eine tragbaren Vorrichtung 10, in diesem Fall in ein Mobiletelefon,
integriert ist, die auch eine Schaltung zur Reaktivierung aus dem
Standby 20 aufweist. Auch in der Figur dargestellt sind
die Achsen X und Y, die die Ebene des Rotors 2 definieren.
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5 zeigt
stattdessen eine detailliertere Sicht auf den Trägheitssensor 1 aus 1.
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Wie
man feststellen kann, ist der Rotor 2 aus einem zentralen
Körper 2a und
aus einer Mehrzahl von Ringen 4 gebildet, die zueinander
und zu dem zentralen Körper 2a konzentrisch
sind. Die Ringe 4 (die bewegliche Elektroden bilden) sind
durch starre Arme 5, die sich radial in Richtung der Außenseite des
zentralen Körpers 2a erstrecken,
an dem zentralen Körper 2a befestigt.
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Der
zentrale Körper 2a ist
durch einen zentralen Verankerungsstift 6 mit einem (nicht
gezeigten) Substrat verbunden. Im Detail hat der zentrale Körper 2a eine
zentrale Öffnung 8,
die einen inneren Umfang 9 des zentralen Körpers 2a begrenzt;
der zentrale Verankerungsstift 6 erstreckt sich in die
zentrale Öffnung 8 und
ist durch isotrope Spiralfedern 7 mit dem inneren Umfang 9 des
zentralen Körpers 2a verbunden.
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Die
isotropen Spiralfedern 7 haben eine sehr kleine Breite
(zum Beispiel 3–4
um), um eine Auslenkung des Rotors 2 in jede beliebige
Richtung der Ebene zu ermöglichen.
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Vorzugsweise
sind der Rotor 2, der zentrale Verankerungsstift 6 und
die isotropen Spiralfedern 7 in einer einzelnen Schicht
aus Halbleitermaterial (zum Beispiel einer epitaktischen Schicht)
gebildet. Außerdem
hat der zentrale Körper 2a des
Rotors 2 eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 10, die zum
Entfernen einer unter der epitaktischen Schicht liegenden Opferoxidschicht
durch chemische Ätzung auf
eine an sich bekannte Weise notwendig sind.
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Der
Stator 3 ist aus einer Mehrzahl von bogenförmigen Teilen 11 gebildet,
die ortsfeste Elektroden bilden. Im Detail bilden die bogenförmigen Teile 11 Umfangsbögen, die
den Ringen 4 gegenüber
liegen, und jeder von ihnen ist zwischen einem benachbarten Paar
starrer Arme 5 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform
sind die bogenförmigen Teile 11 an
der Außenseite
der Ringe 4 angeordnet. Die bogenförmigen Teile 11 sind
außerdem
parallel zueinander verbunden, zum Beispiel durch Verankern von
Bereichen, die sich unter der Ebene des Rotors 2 erstrecken,
und auf eine nicht gezeigte Art elektrisch miteinander verbunden.
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Durch
passendes Vorspannen des Rotors 2 und des Stators 3 wird
die Auslenkung des Rotors 2 in Bezug auf den Stator 3 als
eine Folge der durch die Auslenkung der Ringe 4 in Bezug
auf die bogenförmigen
Teile 11 bedingten kapazi tiven Veränderung detektiert.
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Dank
der Anwesenheit einer großen
Anzahl von Elektroden (Ringen 4 und bogenförmigen Teilen 11)
und der daraus folgenden Zunahme des sich gegenüberliegenden Bereichs zwischen
dem Stator 3 und dem Rotor 2 schafft die Ausführungsform
aus 5 ein Signal mit kapazitiver Veränderung,
das höher
ist als das der vereinfachten Struktur aus 1 und 2.
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6 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
vorliegenden Sensors, wobei sowohl der Rotor 2 als auch
der Stator 3 eine elliptische Form haben.
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7 zeigt
eine dritte Ausführungsform
des vorliegenden Sensors, wobei sowohl der Rotor 2 als auch
der Stator 3 eine zwölfeckige
Form haben.
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Der
vorliegende Trägheitssensor
hat dank der Verwendung von MEMS-Technik gegenüber ähnlichen bekannten Sensoren
den Vorteil, eine äußerst kleine
Gesamtgröße, sehr
niedrige Herstellungskosten mit der Möglichkeit von Massenproduktion,
einen praktisch unerheblichen Verbrauch elektrischer Energie und
eine sehr hohe Empfindlichkeit aufzuweisen, und kann außerdem in
andere Elektronik integriert werden, zum Beispiel für die Schwellenwertdetektionsschaltung.
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Außerdem ermöglicht der
beschriebene Sensor die direkte Detektierung von Auslenkungen in jede
beliebige Richtung der Ebene des Sensors anstatt der Detektierung
der Projektionen dieser Auslenkungen auf gegebene Bezugsachsen.
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Folglich
reicht nur ein Sensor für
die Detektierung von Auslenkungen in der Ebene aus und ist es folglich
möglich,
die auf dem Silizium eingenommene Fläche, die Produktionskosten
und den Stromverbrauch gegenüber
Lösungen,
die die Replikation eines gleichen unidirektionalen (oder bidirektionalen) Trägheitssensors
in derselben Vorrichtung erfordern, wesentlich zu reduzieren.
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Der
beschriebene Trägheitssensor
hat gemäß seiner
bevorzugten Ausführungsform
einen kreisförmigen
Rotor und einen kreisförmigen
Stator und ist völlig
isotrop, insofern als Auslenkungen in jede beliebige Richtung eine
gleiche kapazitive Veränderung
und somit die gleiche Wirkung auf die Bewegungsdetektierung bewirken.
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Ferner
wird der Schwellenwertfehler im Wesentlichen aufgehoben und ist
es möglich,
die Elektronik der Schwellenwertdetektionsschaltung weiter zu vereinfachen.
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Schließlich ist
es offensichtlich, dass Modifikationen und Veränderungen für den hierin beschriebenen
und erläuterten
Trägheitssensor
gemacht werden können,
ohne dadurch von dem wie in den beiliegenden Ansprüchen definierten
Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Insbesondere
ist es klar, dass sich die gegenseitige Anordnung von Rotor und
Stator von der in 5 dargestellten unterscheiden
könnte,
indem der Stator von Bögen
auf der Innenseite der kreisförmigen
Elektroden des Rotors gebildet werden könnte.
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Außerdem kann
der Sensor Formen darstellen, die sich von den hierin beschriebenen
unterscheiden, vorausgesetzt, dass sie so beschaffen sind, dass
sie Bewegung in jede beliebige Richtung in der Ebene auf eine gleichförmige Weise,
wenigstens bis zu einer ersten Annäherung, detektieren.
