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Die
Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor mit einer über einer
Ebene eines Substrats angeordneten Masse.
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Stand der Technik
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Dreiachsige
Beschleunigungssensoren, insbesondere dreiachsige mikromechanische
Beschleunigungssensoren, werden für Anwendungen in der Unterhaltungs-
und Automobilelektronik benötigt.
Dabei ist eine möglichst
kompakte Bauweise der Beschleunigungssensoren erwünscht.
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Das
Grundprinzip mikromechanischer Beschleunigungssensoren besteht darin,
eine seismische Masse mit Hilfe einer Aufhängung auf einem Substrat beweglich
gegenüber
feststehenden Elektroden zu lagern. Die seismische Masse und die
feststehenden Elektroden bilden einen oder mehrere Kondensatoren.
Eine durch eine auf den mikromechanischen Beschleunigungssensor
wirkende Beschleunigung hervorgerufene Auslenkung der seismischen
Masse führt
zu einer Veränderung
der Kapazitäten
dieser Kondensatoren, die detektiert werden kann und ein Maß für die Größe der wirkenden
Beschleunigung darstellt. Zur Vermeidung von Nullpunktsabweichungen
werden die Kapazitätsänderungen
bevorzugt differenziell ausgewertet.
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Im
Stand der Technik werden dreiachsige Beschleunigungssensoren durch
drei voneinander unabhängige
Sensorkerne mit getrennten seismischen Massen realisiert, die nebeneinander
auf einem gemeinsamen Chip angeordnet sind. Dies führt zu einem
hohen Platzbedarf und vergleichsweise großen Beschleunigungssensoren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten dreiachsigen
mikromechanischen Beschleunigungssensor bereitzustellen. Diese Aufgabe
wird durch einen Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß umfasst
ein Beschleunigungssensor ein Substrat und ein erstes Massenelement,
das derart mit dem Substrat verbunden ist, dass das erste Massenelement
um eine Achse drehbar ist, wobei das erste Massenelement derart
mit einem zweiten Massenelement verbunden ist, dass das zweite Massenelement
entlang einer ersten Richtung parallel zur Achse beweglich ist und
wobei das erste Massenelement derart mit einem dritten Massenelement
verbunden ist, dass das dritte Massenelement entlang einer zweiten
Richtung senkrecht zur Achse beweglich ist. Vorteilhafterweise kann
dieser Beschleunigungssensor äußert kompakt aufgebaut
werden.
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Bevorzugterweise
ist das erste Massenelement bezüglich
der Achse asymmetrisch ausgebildet. Dadurch bewirkt eine senkrecht
zur Substratebene wirkende Beschleunigung eine Verkippung des Massenelements
um die Achse, was ihre Detektierbarkeit verbessert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Beschleunigungssensors ist das Substrat ein Siliziumsubstrat.
Hierdurch kann zur Herstellung des Beschleunigungssensors ein mit
herkömmlichen
Siliziumbearbeitungsprozessen kompatibles Verfahren verwendet werden.
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Eine
Ausgestaltung des Beschleunigungssensors sieht vor, dass dem ersten
Massenelement mindestens eine fest mit dem Substrat verbundene Detektionselektrode
gegenübersteht,
die eine Detektion einer Drehung des ersten Massenelements um die
Achse gestattet. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
sind mindestens zwei Detektionselektroden vorgesehen, wobei die
Detektionselektroden eine differentielle Auswertung einer Drehung
des ersten Massenelements um die Achse gestatten. Durch die differentielle
Auswertung können
Nullpunktsabweichungen des Beschleunigungssensors unterdrückt werden.
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Bevorzugterweise
ist auf beiden Seiten der Achse je eine Detektionselektrode vorgesehen,
wobei die beiden Detektionselektroden bezüglich der Achse zueinander
symmetrisch ausgebildet sind. Diese Symmetrie bringt Vorteile bezüglich der
Linearität
und der Offset-Stabilität
des Beschleunigungssensors mit sich.
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In
einer Ausgestaltung des Beschleunigungssensors weist das erste Massenelement
einen Rahmen auf, wobei das zweite Massenelement über mindestens
eine in die erste Richtung dehnbare Biegefeder mit dem Rahmen verbunden
ist. In einer weiteren Ausgestaltung ist das dritte Massenelement über mindestens
eine in die zweite Richtung dehnbare Biegefeder mit dem Rahmen verbunden.
Diese Ausgestaltungen ermöglichen
einen sehr kompakten Aufbau des Beschleunigungssensors.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das zweite Massenelement erste Fingerelektroden auf, denen
fest mit dem Substrat verbundene erste Substratelektroden gegenüber stehen,
wobei die ersten Fingerelektroden und Substratelektroden eine Detektion
einer Auslenkung des zweiten Massenelements in die erste Richtung
gestatten.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist das dritte Massenelement zweite Fingerelektroden auf, denen
fest mit dem Substrat verbundene zweite Substratelektroden gegenüber stehen,
wobei die zweiten Fingerelektroden und Substratelektroden eine Detektion
einer Auslenkung des dritten Massenelements in die zweite Richtung
gestatten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
erste Ausführungsform
eines dreiachsigen Beschleunigungssensors;
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines dreiachsigen Beschleunigungssensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Beschleunigungssensors 300,
der in z-Richtung
oberhalb einer in der x-y-Ebene liegenden Oberfläche eines Substrats 322 angeordnet
ist. Der Beschleunigungssensor 300 eignet sich zur Detektion
von Beschleunigungen in alle drei Raumrichtungen x, y, z. Der Beschleunigungssensor 300 ist
als mikromechanisches Bauelement beispielsweise aus einem Siliziumsubstrat
gefertigt.
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Der
Beschleunigungssensor 300 umfasst einen äußeren Rahmen 313,
der in der x-y-Ebene angeordnet ist. Der äußere Rahmen 313 weist
eine rechteckige Grundform auf. Die Außenkanten des äußeren Rahmens 313 werden
durch einen ersten Rahmenteil 316, einen zweiten Rahmenteil 317,
einen dritten Rahmenteil 318 und einen vierten Rahmenteil 319 gebildet.
Der erste Rahmenteil 316 und der dritte Rahmenteil 318 sind
parallel zur y-Achse ausgerichtet.
Der zweite Rahmenteil 317 und der vierte Rahmenteil 319 sind
parallel zur x-Achse ausgerichtet. Die durch den ersten, zweiten,
dritten und vierten Rahmenteil 316, 317, 318, 319 eingeschlossene
Fläche
wird durch einen fünften
Rahmenteil 320 und einen sechsten Rahmenteil 321,
die parallel zur y-Achse orientiert sind, in drei in x-Richtung
nebeneinander liegende Abschnitte unterteilt. Der erste Rahmenteil 316 ist
gegenüber
dem dritten Rahmenteil 318 verbreitert und bildet eine
Zusatzmasse 303.
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Im
mittleren der drei durch den äußeren Rahmen 313 eingeschlossenen
Flächenabschnitte,
der zwischen dem fünften
Rahmenteil 320, dem zweiten Rahmenteil 317, dem
sechsten Rahmen teil 321 und dem vierten Rahmenteil 319 verläuft, ist
ein mit dem Substrat verbundener Befestigungspunkt 301 angeordnet.
Der Befestigungspunkt 301 ist durch zwei in y-Richtung
orientierte z-Federn 308 mit dem äußeren Rahmen 313 verbunden.
Die z-Federn 308 sind als Torsionsfedern ausgebildet. Eine
erste z-Feder 308 verbindet den Befestigungspunkt 301 mit
dem zweiten Rahmenteil 307. Eine zweite z-Feder 308 verbindet
den Befestigungspunkt 301 mit dem vierten Rahmenteil 319.
Die z-Federn 308 bilden
eine in y-Richtung orientierte Drehachse, um die der äußere Rahmen 313 verkippt
werden kann.
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Der
zweite durch den äußeren Rahmen 313 eingeschlossene
Flächenabschnitt
weist eine im Wesentlichen quadratische Form auf und liegt zwischen dem
ersten Rahmenteil 316, dem zweiten Rahmenteil 317,
dem fünften
Rahmenteil 320 und dem vierten Rahmenteil 319.
Innerhalb dieses Flächenabschnitts ist
ein erster innerer Rahmen 304 angeordnet, der ein Massenelement
darstellt und eine im Wesentlichen quadratische Grundform aufweist.
Der erste innere Rahmen 304 ist über zwei y-Federn 307 mit
dem äußeren Rahmen 313 verbunden.
Die dem zweiten Rahmenteil 317 des äußeren Rahmens 313 nächstliegende
Kante des ersten inneren Rahmens 304 ist über die
erste y-Feder 307 mit dem zweiten Rahmenteil 317 verbunden.
Die dem vierten Rahmenteil 319 des äußeren Rahmens 313 nächstliegende
Kante des ersten inneren Rahmens 304 ist über die
zweite y-Feder 307 mit dem vierten Rahmenteil 319 verbunden.
Die beiden y-Federn 307 weisen
eine Mäander- oder
S-Form auf. Die y-Federn 307 sind in y-Richtung elastisch,
in x- und in z-Richtung steif ausgebildet.
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Der
dritte durch den äußeren Rahmen 313 eingeschlossene
Flächenabschnitt
weist eine im Wesentlichen quadratische Grundform auf und wird durch
den sechsten Rahmenteil 321, den zweiten Rahmenteil 317,
den dritten Rahmenteil 318 und den vierten Rahmenteil 319 begrenzt.
Dieser Flächenabschnitt
wird im Wesentlichen durch einen zweiten inneren Rahmen 305 ausgefüllt, der
ein Massenelement darstellt. Der zweite innere Rahmen 305 ist durch
zwei x-Federn 306 mit dem äußeren Rahmen 313 verbunden.
Die dem sechsten Rahmenteil 321 des äußeren Rahmens 313 nächstliegende
Außenkante
des zweiten inneren Rahmens 305 ist über die erste x-Feder 306 mit
dem sechsten Rahmenteil 321 verbunden. Die dem dritten
Rahmenteil 318 des äußeren Rahmens 313 nächstliegende
Außenkante des
zweiten inneren Rahmens 305 ist über die zweite x-Feder 306 mit
dem dritten Rahmenteil 318 verbunden. Die x-Federn 106 sind
als mäander-
oder S-förmige
Balkenfedern ausgebildet und in x-Richtung elastisch, in y- und z-Richtung
jedoch steif.
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Der
erste innere Rahmen 304 ist in drei rechteckige, in x-Richtung nebeneinander
liegende Flächenabschnitte
unterteilt. Der zentrale Flächenabschnitt
des ersten inneren Rahmens 304 ist flächig ausgebildet und in z-Richtung
oberhalb einer fest mit dem Substrat verbundenen ersten z-Elektrode 311 angeordnet.
Die erste z-Elektrode 311 weist in x- und y-Richtung im
Wesentlichen dieselbe Ausdehnung wie der zentrale Flächenabschnitt
des ersten inneren Rahmens 304 auf. Der zentrale Flächenabschnitt
des ersten inneren Rahmens 304 und die erste z-Elektrode 311 bilden
einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand des zentralen
Flächenabschnitts
des ersten inneren Rahmens 304 von der ersten z-Elektrode 311 abhängt.
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Die
zu beiden Seiten des zentralen Flächenelements des ersten inneren
Rahmens 304 angeordneten Flächenelemente des ersten inneren
Rahmens 304 sind als Gitter mit in x-Richtung verlaufenden
Gitterstäben
ausgebildet, die eine Mehrzahl von y-Elektrodenfingern 315 bilden.
Die y-Elektrodenfinger 315 sind in z-Richtung oberhalb
von fest mit dem Substrat verbundenen y-Substratelektroden 310 angeordnet. Die
y-Elektrodenfinger 315 und die y-Substratelektroden 310 bilden
einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand der y-Elektrodenfinger 315 von
den y-Substratelektroden 310 abhängt.
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Die
durch den zweiten inneren Rahmen 305 abgedeckte Fläche ist
in drei in etwa gleich große, rechteckige,
in y-Richtung nebeneinander liegende Flächenabschnitte unterteilt.
Der zentrale Flächenabschnitt
des zweiten inneren Rahmens 305 ist flächig ausgebildet und in z-Richtung
oberhalb einer fest mit dem Substrat verbundenen zweiten z-Elektrode 312 angeordnet.
Die zweite z-Elektrode 312 weist in x- und y-Richtung im
Wesentlichen die gleiche Ausdehnung wie der zentrale Flächenabschnitt
des zweiten inneren Rahmens 305 auf. Der zentrale Flächenabschnitt
des zweiten inneren Rahmens 305 und die zweite z-Elektrode 312 bilden
einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand des zentralen
Flächenabschnitts
des zweiten inneren Rahmens 305 von der zweiten z-Elektrode 312 abhängt.
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Die
beidseitig des zentralen Flächenabschnitts
des zweiten inneren Rahmens 305 angeordneten Flächenabschnitte
des zweiten inneren Rahmens 305 sind als Gitter mit einer
Mehrzahl in y-Richtung verlaufender Gitterstäbe ausgebildet, die eine Mehrzahl
von x-Elektrodenfingern 314 bilden. Die x-Elektrodenfinger 314 sind
in z-Richtung oberhalb von fest mit dem Substrat verbundenen x-Substratelektroden 309 angeordnet.
Die x-Elektrodenfinger 314 und die x-Substratelektroden 309 bilden
Kondensatoren, deren Kapazität
vom Abstand der x-Elektrodenfinger 314 von
den x-Substratelektroden 309 abhängt.
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Der äußere Rahmen 313,
die y-Federn 307, der erste innere Rahmen 304,
die x-Federn 306 und der zweite innere Rahmen 305 bilden
gemeinsam eine Wippenmasse 302, beziehungsweise ein Massenelement.
Wegen der durch den ersten Rahmenteil 316 des äußeren Rahmens 313 gebildeten
Zusatzmasse 303 ist die Wippenmasse 302 bezüglich der
durch die z-Federn 308 gebildeten Drehachse asymmetrisch
ausgebildet. Zu einer Seite der durch die z-Federn 308 gebildeten
Drehachse weist die Wippenmasse 302 eine um die Zusatzmasse 303 größere Masse
auf als auf der anderen Seite der Drehachse.
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Eine
in x-Richtung auf den Beschleunigungssensor 300 ausgeübte Beschleunigung
bewirkt eine in x-Richtung am zweiten inne ren Rahmen 305 angreifende
Kraft. Diese führt
zu einer elastischen Verformung der x-Federn 306 und zu
einer Auslenkung des zweiten inneren Rahmens 305 relativ
zum äußeren Rahmen 313.
Durch die Auslenkung des zweiten inneren Rahmens 305 verändert sich
der Abstand zwischen den x-Elektrodenfingern 314 und den x-Substratelektroden 309,
wodurch sich die Kapazität
des durch sie gebildeten Kondensators verändert. Dies kann mittels einer
mit dem Beschleunigungssensor 300 verbundenen Auswertelektronik
erfasst werden. Die Kapazitätsänderung
stellt ein Maß für die Größe der auf
den Beschleunigungssensor 300 ausgeübten Beschleunigung dar.
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Eine
in x-Richtung wirkende Beschleunigung erzeugt auch am äußeren Rahmen 313 und
dem ersten inneren Rahmen 304 angreifende Kräfte in x-Richtung.
Da die y-Federn 307 und die z-Federn 308 in x-Richtung steif
ausgebildet sind, bewirken diese Kräfte jedoch keine Auslenkung
des äußeren Rahmens 313 oder
des ersten inneren Rahmens 304.
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Eine
in y-Richtung auf den Beschleunigungssensor 300 wirkende
Beschleunigung führt
zu einer in y-Richtung am ersten inneren Rahmen 304 angreifenden
Kraft und lenkt diesen durch eine elastische Verformung der y-Federn 307 gegen
den äußeren Rahmen 313 aus.
Der sich dadurch ändernde
Abstand zwischen den y-Elektrodenfingern 315 und den y-Substratelektroden 310 ändert die
Kapazität
des durch sie gebildeten Kondensators, was mittels einer mit dem
Beschleunigungssensor 300 verbundenen Auswertelektronik
erfasst und quantifiziert werden kann. Die Kapazitätsänderung
ist ein Maß für die Größe der in
y-Richtung wirkenden
Beschleunigung. Da die x-Federn 306 und die z-Federn 308 in
y-Richtung nicht verformbar sind, erfahren der zweite innere Rahmen 305 und
der äußere Rahmen 313 keine Auslenkung.
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Eine
in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 300 ausgeübte Beschleunigung
bewirkt eine in z-Richtung an der Wippenmasse 302 angreifende Kraft,
die wegen der Zusatzmasse 303 auf einer Seite der durch
die z-Federn 308 gebildete Drehachse zu einem auf die Wippenmasse 302 ausgeübten Drehmoment
und zu einer Verkippung der Wippenmasse 302 um die durch
die z-Federn 308 gebildete Drehachse
führt.
Der Kippwinkel ist umso größer, je größer die
auf die Wippenmasse 302 wirkende Beschleunigung ist. Durch
die Verkippung der Wippenmasse 302 ändern sich die Abstände zwischen
dem ersten inneren Rahmen 304 und der ersten z-Elektrode 311 und
dem zweiten inneren Rahmen 305 und der zweiten z-Elektrode 312.
Je nach Kipprichtung der Wippenmasse 302 nimmt einer der
Abstände
zu, während
der andere abnimmt. Dadurch ändern
sich die Kapazitäten
der durch den ersten inneren Rahmen 304 und die erste z-Elektrode 311 bzw.
den zweiten inneren Rahmen 305 und die zweite z-Elektrode 312 gebildeten
Kondensatoren. Dies wird mittels einer Auswertelektronik erfasst.
Die gegenläufige Änderung
der beiden Kapazitäten
gestattet eine differentielle Auswertung der Kapazitätsänderungen,
was einen linearisierten Zusammenhang zwischen Ausgangssignal und
Eingangsbeschleunigung liefert.
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Da
die y-Federn 307 und die x-Federn 306 in z-Richtung
nicht verformbar sind, werden der erste innere Rahmen 304 und
der zweite innere Rahmen 305 nicht gegenüber dem äußeren Rahmen 313 ausgelenkt.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung anhand eines Beschleunigungssensors 400 dargestellt.
Der Beschleunigungssensor 400 ist in einer z-Richtung oberhalb
eines in x-y-Ebene liegenden Substrats 422 angeordnet.
Das Substrat 422 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat
sein. Der Beschleunigungssensor 400 kann beispielsweise
mit den Methoden der Halbleitermikrostrukturierung hergestellt werden.
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Der
Beschleunigungssensor 400 weist einen äußeren Rahmen 413 mit
einem ersten Rahmenteil 416, einem zweiten Rahmenteil 417,
einem dritten Rahmenteil 418 und einem vierten Rahmenteil 419 auf,
die wie die Seitenkanten eines Rechtecks ange ordnet sind. Der erste
Rahmenteil 416 und der dritte Rahmenteil 418 sind
parallel zur y-Achse ausgerichtet. Der zweite Rahmenteil 417 und
der vierte Rahmenteil 419 sind parallel zur x-Achse ausgerichtet. Der
erste Rahmenteil 416 ist breiter als der dritte Rahmenteil 418 ausgebildet
und stellt damit eine Zusatzmasse 403 dar.
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Die
durch den äußeren Rahmen 413 eingeschlossene
Fläche
wird durch einen fünften
Rahmenteil 420 und einen sechsten Rahmenteil 421,
die parallel zur y-Achse zwischen dem zweiten Rahmenteil 417 und
dem vierten Rahmenteil 419 verlaufen, in drei Flächenabschnitte
unterteilt, die in x-Richtung nebeneinander angeordnet sind. Im
zentralen Flächenabschnitt,
der durch den fünften
Rahmenteil 420, den zweiten Rahmenteil 417, den
sechsten Rahmenteil 421 und den vierten Rahmenteil 419 begrenzt
wird, ist ein Befestigungspunkt 401 angeordnet, der fest
mit dem Substrat verbunden ist. Der äußere Rahmen 413 ist über zwei
in y-Richtung orientierte z-Federn 408 mit dem Befestigungspunkt 401 verbunden.
Die erste z-Feder 408 verläuft vom Befestigungspunkt 401 zum
zweiten Rahmenteil 413. Die zweite z-Feder 408 verläuft vom
Befestigungspunkt 401 zum vierten Rahmenteil 419.
Die z-Federn 408 sind als balkenförmige Torsionsfedern ausgeführt und
bilden eine zur y-Achse parallele Drehachse, um die der äußere Rahmen 413 gegen
das in der x-y-Ebene liegende Substrat verkippt werden kann.
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Der
durch den ersten Rahmenteil 416, den zweiten Rahmenteil 417,
den fünften
Rahmenteil 420 und den vierten Rahmenteil 419 begrenzte
Flächenabschnitt
wird im Wesentlichen durch einen quadratischen ersten inneren Rahmen 404 ausgefüllt, der
ein Massenelement darstellt. Eine zum zweiten Rahmenteil 417 parallele
Seitenkante des ersten inneren Rahmens 404 ist mit einer
ersten y-Feder 407 mit dem zweiten Rahmenteil 417 verbunden.
Die dem vierten Rahmenteil 419 nächstliegende Seitenkante des
ersten inneren Rahmens 404 ist mit einer zweiten y-Feder 407 mit
dem vierten Rahmenteil 419 verbunden. Die y-Federn 407 sind
in y-Richtung elastisch verformbar, in x- und z-Richtung jedoch
steif. Die y-Federn 407 sind als mäander- oder S-förmige Balkenfedern ausgebildet.
Die y-Federn 407 gestatten eine Auslenkung des ersten inneren
Rahmens 404 gegen den äußeren Rahmen 413.
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Der
durch den sechsten Rahmenteil 421, den zweiten Rahmenteil 417,
den dritten Rahmenteil 418 und den vierten Rahmenteil 419 begrenzte
Flächenabschnitt
wird im Wesentlichen durch einen zweiten inneren Rahmen 405 ausgefüllt, der
ein Massenelement darstellt und eine quadratische Grundform aufweist.
Die dem sechsten Rahmenteil 421 nächstliegende Außenkante
des zweiten inneren Rahmens 405 ist mit einer ersten x-Feder 406 mit dem
sechsten Rahmenteil 421 verbunden. Die dem dritten Rahmenteil 418 nächstliegende
Außenkante des
zweiten inneren Rahmens 405 ist mit einer zweiten x-Feder 406 mit
dem dritten Rahmenteil 418 verbunden. Die x-Federn 406 sind
als mäander- oder S-förmige Balkenfedern
ausgebildet und in x-Richtung elastisch verformbar, in y- und z-Richtung
jedoch steif. Die x-Federn 406 erlauben eine Auslenkung
des zweiten inneren Rahmens 405 gegen den äußeren Rahmen 413.
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Der
erste innere Rahmen 404 weist einen flächig ausgebildeten, quadratischen,
zentralen Bereich auf, der in z-Richtung oberhalb einer fest mit
dem Substrat verbundenen ersten z-Elektrode 411 angeordnet ist.
Der flächig
ausgebildete Bereich des ersten inneren Rahmens 404 und
die erste z-Elektrode 411 bilden
gemeinsam einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand des ersten inneren
Rahmens 404 von der ersten z-Elektrode 411 abhängt. Der
die zentrale Fläche
des ersten inneren Rahmens 404 umgebende Bereich des ersten
inneren Rahmens 404 wird durch zwei Gitterabschnitte gebildet,
die in x-Richtung nebeneinander liegen. Die Gitterabschnitte des
ersten inneren Rahmens 404 weisen in x-Richtung orientierte
Gitterstäbe
auf, die y-Elektrodenfinger 415 bilden, die in z-Richtung
oberhalb einer Mehrzahl von fest mit dem Substrat verbundenen y-Substratelektroden 410 liegen.
Die in x-Richtung orientierten y-Elektrodenfinger 415 reichen
je weils vom Rand des Rahmens 404 an den zentralen, flächig ausgebildeten
Bereich des ersten inneren Rahmens 404, beziehungsweise
an einen die zwei Gitterabschnitte trennenden Balken des Rahmens 404 heran.
Somit sind die y-Elektrodenfinger 415, die an den zentralen,
flächig
ausgebildeten Bereich des ersten inneren Rahmens 404 angrenzen,
kürzer
als die an den die zwei Gitterabschnitte trennenden Balken des Rahmens 404 angrenzenden
y-Elektrodenfinger 415. Die y-Elektrodenfinger 415 und
die y-Substratelektroden 410 formen Kondensatoren, deren
Kapazitäten
vom Abstand der y-Elektrodenfinger 415 von den y-Substratelektroden 410 abhängt.
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Der
zweite innere Rahmen 405 weist einen zentralen, flächig ausgebildeten,
quadratischen Abschnitt auf, der in z-Richtung oberhalb einer fest
mit dem Substrat verbundenen z-Elektrode 412 angeordnet
ist. Der flächige
Abschnitt des zweiten inneren Rahmens 405 und die zweite
z-Elektrode 412 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität vom Abstand des
flächigen
Abschnitts des zweiten inneren Rahmens 405 von der zweiten
z-Elektrode 412 abhängt. Der
flächige
Abschnitt des zweiten inneren Rahmens 405 wird durch zwei
Gitterabschnitte des zweiten inneren Rahmens 405 umschlossen,
die in y-Richtung nebeneinander liegen und eine Mehrzahl von in y-Richtung
orientierten Gitterstäben
aufweisen, die eine Mehrzahl von x-Elektrodenfingern 414 bilden. Die
in y-Richtung orientierten x-Elektrodenfinger 414 reichen
jeweils vom Rand des Rahmens 405 an den zentralen, flächig ausgebildeten
Bereich des zweiten inneren Rahmens 405, beziehungsweise
an einen die zwei Gitterabschnitte trennenden Balken des Rahmens 405 heran.
Somit sind die x-Elektrodenfinger 414, die an den zentralen,
flächig
ausgebildeten Bereich des zweiten inneren Rahmens 405 angrenzen,
kürzer
als die an den die zwei Gitterabschnitte trennenden Balken des Rahmens 405 angrenzenden x-Elektrodenfinger 414.
Die x-Elektrodenfinger 414 sind in z-Richtung oberhalb einer Mehrzahl von
fest mit dem Substrat verbundenen x-Substratelektroden 409 angeordnet
und bilden mit diesen Kondensatoren, deren Kapazität vom Abstand
der x- Elektrodenfinger 414 von
den x-Substratelektroden 409 abhängt.
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Der äußere Rahmen 413,
die y-Federn 407, der erste innere Rahmen 404,
die x-Federn 406 und der zweite innere Rahmen 405 bilden
zusammen eine Wippenmasse 402, beziehungsweise ein Massenelement.
Die Wippenmasse 402 ist bezüglich der durch die z-Federn 408 gebildeten
Achse asymmetrisch. Der den ersten Rahmenteil 416 umfassende Teil
der Wippenmasse 402 weist gegenüber dem anderen Teil der Wippenmasse 402 die
Zusatzmasse 403 auf.
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Eine
in x-Richtung auf den Beschleunigungssensor 400 wirkende
Beschleunigung bewirkt eine in x-Richtung an den zweiten inneren
Rahmen 405 angreifende Kraft und lenkt diesen unter elastischer Verformung
der x-Federn 406 gegen den äußeren Rahmen 413 aus.
Dadurch ändert
sich der Abstand zwischen den x-Elektrodenfingern 414 und
den x-Substratelektroden 409, was die Kapazität der durch
sie gebildeten Kondensatoren verändert.
Die Auslenkung und somit die Kapazitätsänderungen sind umso größer, je
größer die
auf den Beschleunigungssensor 400 wirkende Beschleunigung
ist. Die Kapazitätsänderungen
können
mittels einer Auswertelektronik erfasst werden. Die y-Federn 407 und
die z-Federn 408 sind in x-Richtung steif, weshalb eine
in x-Richtung wirkende Beschleunigung nicht zu einer Auslenkung
des äußeren Rahmens 413 oder
des ersten inneren Rahmens 404 führt.
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Eine
in y-Richtung auf den Beschleunigungssensor 400 ausgeübte Beschleunigung
bewirkt eine in y-Richtung an den ersten inneren Rahmen 404 angreifende
Kraft und lenkt diesen unter elastischer Verformung der y-Federn 407 gegen
den äußeren Rahmen 413 aus.
Dadurch ändert
sich der Abstand zwischen den y-Elektrodenfingern 415 und
den y-Substratelektroden 410, was zu einer mittels einer Auswertelektronik
erfassbaren Kapazitätsänderung der
durch die y-Elektrodenfinger 415 und die y-Substratelektroden 410 gebildeten
Kondensatoren führt. Die Auslenkung
und somit die Kapazitätsänderungen sind
umso größer, je
größer die
auf den Beschleunigungssensor wirkende Beschleunigung ist. Die x-Federn 406 und
die z-Federn 408 sind in y-Richtung steif, weshalb es nicht
zu einer Auslenkung des zweiten inneren Rahmens 405 oder
des äußeren Rahmens 413 kommt.
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Eine
in z-Richtung auf den Beschleunigungssensor 400 wirkende
Beschleunigung führt
zu einer in z-Richtung an der Wippenmasse 402 angreifenden Kraft
und wegen der Zusatzmasse 403 zu einem Drehmoment, das
eine Verkippung der Wippenmasse 402 um die durch die z-Federn 408 gebildete Drehachse
bewirkt. Der Verkippungswinkel ist umso größer, je größer die auf den Beschleunigungssensor 400 wirkende
Kraft ist. Durch die Verkippung der Wippenmasse 402 ändern sich
die Abstände
zwischen dem ersten inneren Rahmen 404 und der ersten z-Elektrode 411,
bzw. dem zweiten inneren Rahmen 405 und der zweiten z-Elektrode 412,
was zu einer mittels einer Auswertelektronik detektierbaren Kapazitätsänderung
der durch den ersten inneren Rahmen 404 und die erste z-Elektrode 411,
bzw. den zweiten inneren Rahmen 405 und die zweite z-Elektrode 412 gebildeten
Kondensatoren führt.
Da die Kapazitätsänderungen
entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, ist eine differentielle Auswertung
möglich, durch
die Nullpunktabweichungen unterdrückt werden können. Wegen
der in z-Richtung steifen x-Federn 406 und
y-Federn 407 kommt es zu keiner Auslenkung des ersten inneren
Rahmens 404 oder des zweiten inneren Rahmens 405 gegen
den äußeren Rahmen 413.
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Der
in 2 dargestellte Beschleunigungssensor 400 hat
gegenüber
dem in 1 dargestellten Beschleunigungssensor 300 den
Vorteil, dass die flächig
ausgebildeten zentralen Abschnitte des ersten inneren Rahmens 404 und
des zweiten inneren Rahmens 405 und die erste z-Elektrode 411 und
die zweite z-Elektrode 412 symmetrisch zueinander ausgebildet
sind, was Vorteile bezüglich
der Linearität und
der Offset-Stabilität
mit sich bringt. Auf der anderen Seite wird beim Beschleuni gungssensor 300 die Fläche des
ersten inneren Rahmens 304 und des zweiten inneren Rahmens 305 besser
ausgenutzt, was die Grundkapazität
der zur Detektion von z-Beschleunigungen vorgesehenen Kondensatoren
und damit deren Empfindlichkeit erhöht.
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Die
x-Substratelektroden 309 und 409 und die y-Substratelektroden 310 und 410 der
in 1 und 2 gezeigten Beschleunigungssensoren 300, 400 können wahlweise
auch so ausgebildet werden, dass durch Beschleunigungen bewirkte
Auslenkungen der ersten inneren Rahmen 304, 404 und
der zweiten inneren Rahmen 305, 405 zu Kapazitätsänderungen
führen,
die sich differentiell auswerten lassen. Die technischen Details
sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.