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Die
Erfindung betrifft einen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensor
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur
Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in einer oder mehreren
Richtungen sind mikromechanische, aus einem Wafer gefertigte kapazitive
Beschleunigungssensoren bekannt, mit einer Halterung, welche bezüglich dem
Objekt ortsfest ist, mit einer trägen Sensormasse, welche relativ
zu der Halterung des Beschleunigungssensors beweglich ist, mit einer
Lagervorrichtung, durch welche die Sensormasse bezüglich der
Halterung um eine Ausgangslage elastisch gelagert ist, und mit einer
kapazitiven Erfassungseinrichtung zur Erzeugung mindestens eines
die Lage der Sensormasse relativ zu der Halterung repräsentierenden
kapazitiven Ausgangssignals. Die kapazitive Erfassungseinrichtung umfasst
z.B. an der Sensormasse vorgesehene erste Kondensatorelektroden
und an der Halterung den ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend vorgesehene
zweite Kondensatorelektroden.
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Die
Druckschrift
DE 35
09 948 A1 zeigt einen planaren Trägheitssensor mit einem planaren
Element, das um zwei senkrecht zueinander gerichtete Achsen innerhalb
einer Rahmenanordnung bewegbar ist. Weiterhin ist dort ein Beschleunigungssensor beschrieben,
mit einer drehbaren trägen
Sensormasse, deren Schwerpunkt innerhalb einer Waferebene zur Drehachse
versetzt angeordnet ist.
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Die
Druckschrift
DE 41
06 288 A1 beschreibt einen Beschleunigungssensor aus einem
Siliziumträger,
der einen Rahmen und eine Membran aufweist. Eine Zusatzmasse 13
bewirkt bei Einwirken einer Beschleunigung die Auslenkung der Membran.
Die Auslenkung wird kapazitiv erfasst.
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Schließlich ist
in dem Artikel „Electrostatic forces
and their effects on capacitive mechanical sensors", R. Puers, D. Lapadatu,
Sensors and Actuators A 56 (1996) 203 – 210, ein kapazitiver mechanischer
Sensor gezeigt, der eine dünne
Membran und eine Masse aufweist. Bei Einwirken einer Beschleunigung
bewirkt die Masse eine Auslenkung, die kapazitiv erfasst wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es einen mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensor
zu schaffen, welcher möglichst
einfach und damit kostengünstig
herstellbar ist, flexibel einsetzbar ist, eine geringe Größe aufweist
und eine möglichst
geringe Empfindlichkeit gegen Störeinflüsse hat.
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Diese
Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 angegebenen mikromechanischen
kapazitiven Beschleunigungssensor gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Durch
die Erfindung wird ein mikromechanischer kapazitiver Beschleunigungssensor
zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in mindestens einer
Richtung geschaffen, mit einer Rahmenanordnung, einer trägen Sensormasse,
die aus einem Wafer gefertigt ist und relativ zu der Rahmenanordnung
um eine Drehachse beweglich gelagert ist, und mit einer kapazitiven
Erfassungseinrichtung zur Erzeugung mindestens eines die Lage der
Sensormasse relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierenden kapazitiven Ausgangssignals,
wobei die träge Sensormasse
einen Schwerpunkt hat, der gegenüber
der Drehachse in einer Richtung senkrecht zur Waferebene versetzt
angeordnet ist. Dabei weist die kapazitive Erfassungseinrichtung
erste Kondensatorelektroden und diesen gegenüberliegend angeordnete zweite
Kondensatorelektroden auf, wobei erste und zweite Anschlusselemente
zum elektrischen Anschluss der ersten und zweiten Kondensatorelektroden
in einer gemeinsamen Anschlussebene angeordnet sind.
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Ein
wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist, dass dieser eine besonders günstige Möglichkeit zur Kontaktierung
bietet, besonders einfach herstellbar ist und eine große Empfindlichkeit
bei kompakter Bauweise hat. Der Beschleunigungssensor hat eine geringe Empfindlichkeit
gegen Störeinflüsse. Mit
dem Beschleunigungssensor lassen sich Beschleunigungen parallel
zur Waferoberfläche
messen. Mit ihm können auch
2- oder 3-achsige Beschleunigungssensoren bzw. Sensorsysteme geschaffen
werden, die z.B. monolithisch herstellbar sind.
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Beispielsweise
ist die Sensormasse und/oder die Rahmenanordnung monolithisch aus
einem einzigen einkristallinen Silizium-Wafer gefertigt. Dadurch
ergibt sich eine besonders kostengünstige Herstellung bei äußerst kompakter
Bauweise und hoher Meßgenauigkeit.
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Der
Beschleunigungssensor hat zum Beispiel eine Lagervorrichtung zur
Lagerung der trägen Sensormasse,
die insbesondere tordierbare, z.B. aus Silizium gefertigte Elemente
umfasst. Auch durch diese Maßnahme
wird die einfache und kostengünstige
Herstellung bei kleiner Bauweise noch zusätzlich gefördert.
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Die
Lagervorrichtung bildet bevorzugt eine elektrisch leitende Verbindung
zwischen der Sensormasse und einer an der Rahmenanordnung vorgesehenen
elektrischen Kontaktierung. Damit wird erreicht, dass die Kontaktierung
der beweglichen Sensormasse an der Rahmenanordnung erfolgt, wobei die
elektrische Verbindung zur Sensormasse auf besonders einfache und
zuverlässige
Weise hergestellt ist.
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Bevorzugt
ist die Lagervorrichtung an der Sensormasse nahe der Waferoberfläche angeordnet. Dadurch
ergibt sich z.B. eine besonders große Meßempfindlichkeit.
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Die
Sensormasse kann beispielsweise kubisch oder in Form eines Quaders
oder Kegelstumpfes oder in Form einer stumpfen Pyramide ausgestaltet
sein. Durch diese Geometrien ergeben sich noch zusätzlich große Meßempfindlichkeiten
bei geringem Platzbedarf und kostengünstiger Herstellung.
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Vorzugsweise
sind mehrere träge
Sensormassen vorgesehen, die um jeweils um eine Drehachse beweglich
gelagert sind um Beschleunigungen in mehreren zueinander senkrecht
gerichteten Richtungen zu messen, wobei ein oder mehrere Sensormassen
jeweils einen Schwerpunkt haben, der gegenüber der zugehörigen Drehachse
in einer Richtung senkrecht zur Waferebene versetzt angeordnet ist.
Damit wird ein Sensorsystem geschaffen, dass trotz geringer Baugröße und kostengünstiger
Herstellung zwei- oder dreiachsige Messungen bzw. genaue Beschleunigungsmessungen
in mehreren Raumrichtungen ermöglicht.
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Bevorzugt
ist der Schwerpunkt der Sensormasse relativ zur zugehörigen Drehachse
zusätzlich lateral
in Richtung der Waferebene versetzt angeordnet. Durch die zusätzliche
laterale Versetzung des Schwerpunkts ergibt sich eine Messempfindlichkeit in
einer weiteren Raumrichtung.
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Der
Beschleunigungssensor hat vorzugsweise an der Sensormasse vorgesehene
erste Kondensatorelektroden und diesen gegenüberliegend an der Rahmenanordnung
vorgesehene zweite Kondensatorelektroden, wobei zum Beispiel die
ersten Anschlusselemente zum elektrischen Anschluß der ersten
Kondensatorelektroden und/oder die zweiten Anschlusselemente zum
elektrischen Anschluß der zweiten
Kondensatorelektroden in einer gemeinsamen Anschlussebene angeordnet
sind.
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Die
Kontaktierung der ersten Anschlusselemente und/oder der zweiten
Anschlusselemente kann von einer einzigen Seite erfolgen. Auch kann die
elektrische Kontaktierung der kapazitiven Erfassungseinrichtung
von einer einzigen Seite erfolgen.
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Bevorzugt
sind an der Rahmenanordnung vorgesehene zweite Kondensatorelektroden
zusammen mit den ersten und zweiten Anschlusselementen in der gemeinsamen
Anschlussebene angeordnet sind.
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Durch
jede dieser Maßnahmen
ergibt sich eine besonders günstige
Möglichkeit
zur Kontaktierung, was die Herstellung vereinfacht und Kosten zusätzlich senkt.
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Vorzugsweise
hat der Beschleunigungssensor eine Kopplungsanordnung zur Kopplung
von an der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden
mit an der Rahmenanordnung vorgesehenen ersten Anschlusselementen,
wobei die Kopplungsanordnung beispielsweise eine galvanische oder
kapazitive Verbindung zur Überbrückung einer Höhenversetzung
zwischen den ersten Kondensatorelektroden und einer gemeinsamen
Anschlussebene umfasst. Dadurch können z.B. sämtliche Anschlusselemente auf
einer Ebene liegen.
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Bevorzugt
enthält
die Rahmenanordnung ein die Sensormasse seitlich umgebendes Mittelteil
und ein z.B. höhenversetzt
zu der Sensormasse an dem Mittelteil angeordnetes erstes Deckelteil,
wobei insbesondere an dem ersten Deckelteil auf seiner der Sensormasse
zugewandten Seite zweite Kondensatorelektroden vorgesehen sind.
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Beispielsweise
bildet die der Sensormasse zugewandte Seite des ersten Deckelteils
eine gemeinsame Anschlussebene zum elektrischen Anschluss der kapazitiven
Erfassungseinrichtung.
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Vorzugsweise
sind die zweiten Kondensatorelektroden entweder durch eine Metallisierung
auf der Sensormasse oder durch die auf einem elektrischen Potential
befindliche Sensormasse selbst gebildet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung hat der Beschleunigungssensor eine
Rahmenanordnung, welche bezüglich
dem Objekt ortsfest ist, eine träge
Sensormasse, welche relativ zu der Rahmenanordnung des Beschleunigungssensors
beweglich ist, eine Lagervorrichtung, durch welche die Sensormasse
bezüglich
der Rahmenanordnung um eine Ausgangslage elastisch gelagert ist,
und eine kapazitive Erfassungseinrichtung zur Erzeugung mindestens
eines die Lage der Sensormasse relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierenden
kapazitiven Ausgangssignals, welche an der Sensormasse vorgesehene
erste Kondensatorelektroden und an der Rahmenanordnung den ersten
Kondensatorelektroden gegenüberliegend
vorgesehene zweite Kondensatorelektroden umfasst, eine Kopplungsanordnung zur
Kopplung der an der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden
mit an der Rahmenanordnung vorgesehenen ersten Anschlusselementen,
und zweite Anschlusselementen, mit weichen die zweiten Kondensatorelektroden
gekoppelt sind. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die ersten
Anschlusselemente und/oder die zweiten Anschlusselemente in einer
gemeinsamen Anschlussebene angeordnet sind, welche beispielsweise
gegen die an der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden
oder/und gegen die an der Rahmenanordnung vorgesehenen zweiten Kondensatorelektroden
höhenversetzt
ist, und dass die Kopplungsanordnung insbesondere Mittel zur Überbrückung der
Höhenversetzung
zwischen den ersten Kondensatorelektroden oder/und den zweiten Kondensatorelektroden
und der gemeinsamen Anschlussebene enthält.
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Dadurch
wird beispielsweise erreicht, dass alle elektrischen Anschlüsse auf
einer Ebene liegen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist es vorgesehen, dass die an der Rahmenanordnung vorgesehenen
zweiten Konden satorelektroden zusammen mit den ersten und zweiten
Anschlusselementen in der gemeinsamen Anschlussebene angeordnet
sind, und dass die Kopplungsanordnung Mittel zur Überbrückung der
Höhenversetzung
zu der gemeinsamen Anschlussebene enthält. Diese Ausführungsform
ist besonders vorteilhaft, da die Anordnung der ersten und zweiten
Anschlusselemente zusammen mit den zweiten Kondensatorelektroden
in einer gemeinsamen Ebene die Herstellung besonders vereinfacht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kopplungsanordnung
eine die Höhenversetzung
zu der gemeinsamen Anschlussebene überbrückende galvanische Verbindung
bildet.
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Gemäß einem
noch anderen Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kopplungsanordnung
eine die Höhenversetzung
zu der gemeinsamen Anschlussebene überbrückende kapazitive Verbindung
bildet.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Rahmenanordnung eine die
Sensormasse seitlich umgebendes Mittelteil und ein höhenversetzt
zu der Sensormasse an dem Mittelteil angeordnetes erstes Deckelteil
enthält,
wobei die zweiten Kondensatorelektroden auf der der Sensormasse
zugewandten Seite an dem ersten Deckelteil vorgesehen sind und die
ersten Kondensatorelektroden den zweiten Kondensatorelektroden gegenüberliegend
an der Sensormasse vorgesehen sind. Der Vorteil dieser Art der Anordnung
liegt in einer einfachen Kontaktierung und in geringen Streukapazitäten.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der letztgenannten Ausführungsform
sieht es vor, dass die gemeinsame Anschlussebene, in welcher die
ersten Anschlusselemente und die zweiten Anschlusselemente angeordnet
sind, durch die der Sensormasse zugewandten Seite des ersten Deckelteils
gebildet ist, in welcher auch die zweiten Kondensatorelektroden
vorgesehen sind.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
hiervon sieht es vor, dass die ersten Anschlusselemente, die zweiten
Anschlusselemente sowie die zweiten Kondensatorelektroden, die mit
letzteren verbunden sind, aus einer einzigen auf der der Sensormasse
zugewandten Seite des ersten Deckelteils ausgebildeten leitenden
Schicht hergestellt sind.
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Bei
Ausführungsformen,
bei denen die Kopplungsanordnung eine kapazitive Verbindung enthält, ist
es vorteilhafterweise vorgesehen, dass auf der der Sensormasse zugewandten
Seite des ersten Deckelteils eine zweite Kopplungselektrode ausgebildet ist,
und dass an der Sensormasse eine der zweiten Kopplungselektrode
gegenüberliegende
erste Kopplungselektrode vorgesehen ist, wobei die erste und die
zweite Kopplungselektrode eine kapazitive Verbindung der Kopplungsanordnung
zur Kopplung der an der Sensormasse vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden
mit einem an der Rahmenanordnung vorgesehenen ersten Anschlusselement
bilden.
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Diese
Ausführungsform
ist vorteilhafterweise so weitergebildet, dass die zweite Kopplungselektrode
zusammen mit dem ersten Anschlusselement in der gemeinsamen Anschlussebene
vorgesehen sind, welche durch die der Sensormasse zugewandte Seite
des ersten Deckelteils gebildet ist.
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Weiterhin
ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die zweite Kopplungselektrode
und das damit verbundene erste Anschlusselement zusammen mit dem
zweiten Kondensatorelektroden und den damit verbundenen zweiten
Anschlusselementen aus einer einzigen auf der der Sensormasse zugewandten
Seite des ersten Deckelteils ausgebildeten leitenden Schicht hergestellt
sind.
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Bei
den Ausführungsbeispielen,
bei den die Rahmenanordnung ein die Sensormasse seitlich umgebendes
Mittelteil und ein höhenversetzt
dazu an dem Mittelteil angeordnetes erstes Deckelteil enthält, ist
es vorzugsweise vorgesehen, dass ein höhenversetzt zu der Sensormasse
an dem Mittelteil dem ersten Deckelteil gegenüberliegend angeordnetes zweites
Deckelteil enthält,
welches zusammen mit dem Mittelteil und dem ersten Deckelteil ein
die Sensormasse zusammen mit den ersten Kondensatorelektroden und
den zweiten Kondensatorelektroden hermetisch einschließendes Gehäuse bildet.
Das den Beschleunigungssensor hermetisch einschließende Gehäuse bietet
zum einen einen zuverlässigen Schutz
gegen Umgebungseinflüsse
und ermöglicht es
zum anderen, im Inneren desselben einen geringeren Gasdruck zur
Senkung der Dämpfung
einzustellen.
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Gemäß einer
Art der Ausführung
des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist es vorgesehen, dass die Lagervorrichtung durch Torsionselemente
gebildet ist, an welchen die Sensormasse bezüglich der Rahmenanordnung um
die besagte Ausgangslage drehelastisch gelagert ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
hiervon sieht es vor, dass zwei auf einer gemeinsamen Drehachse
befindliche, an einander gegenüberliegenden Seiten
der Sensormasse angreifende, die Lagervorrichtung bildende Torsionselemente
vorgesehen sind, wobei die Sensormasse nur bezüglich einer einzigen Richtung
relativ zu der Rahmenanordnung beweglich ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
sieht es vor, dass die Torsionselemente an der Sensormasse einerseits
und an dem Mittelteil der Rahmenanordnung andererseits festgelegt
sind.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kopplungsanordnung
durch eine galvanische Verbindung gebildet ist, welche die Torsionselemente
enthält.
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Gemäß einer
anderen Art der Ausführung des
erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist es vorgesehen, dass die Lagervorrichtung durch ein oder mehrere
Biegeelemente gebildet ist, an welchen die Sensormasse bezüglich der
Rahmenanordnung um die besagte Ausgangslage biegeelastisch gelagert
ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
hiervon sieht es vor, dass zwei in einer gemeinsamen Ebene befindliche,
voneinander beabstandet an der Sensormasse festgelegte Biegeelemente
vorgesehen sind, wobei die Sensormasse nur bezüglich einer einzigen Richtung
relativ zu der Rahmenanordnung beweglich ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist es vorgesehen, dass die Biegeelemente an der Sensormasse einerseits
und an dem ersten Deckelteil der Rahmenanordnung andererseits festgelegt
sind.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kopplungsanordnung
durch eine galvanische Verbindung gebildet ist, welche die Biegeelemente
enthält.
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Eine
weitere Art der Ausführung
des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
sieht es vor, dass ein einziges Biegeelement vorgesehen ist, welches
zentral an der Sensormasse festgelegt ist, wobei die Sensormasse
bezüglich
zweier verschiedener Richtungen relativ zu der Rahmenanordnung beweglich
ist, und dass die Erfassungseinrichtung zur Erzeugung zweier die
Lage der Sensormasse relativ zu der Rahmenanordnung repräsentierender
kapazitiver Ausgangssignale vorgesehen ist. Der Vorteil dieser Art
der Ausführung
ist es, dass mit einer einzigen Sensormasse Beschleunigungen in
zwei verschiedenen Richtungen, beispielsweise den beiden Richtungen
der Horizontalebene erfasst werden können.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform hiervon
ist es vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung vier erste Kondensatorelektroden,
welche paarweise einander gegenüberliegend
auf entgegengesetzten Seiten des Biegeelements an der Sensormasse
vorgesehen sind, und vier zwei Kondensatorelektroden, welche paarweise
einander gegenüberliegend
auf entgegengesetzten Zeiten des Biegeelements gegenüber den
ersten Kondensatorelektroden an dem ersten Deckelteil der Rahmenanordnung
vorgesehen sind, umfasst.
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Wenn
bei den letztgenannten Ausführungsformen
durch die Kopplungsanordnung eine kapazitive Verbindung gebildet
werden soll, ist es insbesondere vorteilhaft vorzusehen, dass die
Kopplungsanordnung eine das Biegeelement umgebende erste Kopplungselektrode,
welche an der Sensormasse vorgesehen ist, und ein das Biegeelement
umgebende, der ersten Kopplungselektrode gegenüberliegende zweite Kopplungselektrode.
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Bei
den Ausführungsformen,
bei denen die Kopplungsanordnung eine galvanische Verbindung bildet,
ist es vorteilhaft vorzusehen, dass die Kopplungsanordnung durch
eine galvanische Verbindung gebildet ist, welche das Biegeelement
umfasst.
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Gemäß einer
weiteren Art der Ausführung des
erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist es vorgesehen, dass zur Erfassung der Beschleunigung eines Objekts
in mehreren Richtungen mehrere mit jeweils einer kapazitiven Erfassungseinrichtung versehene
Sensormassen vorgesehen sind, die unabhängig voneinander jeweils mittels
einer Lagervorrichtung in einer Rahmenanordnung gelagert und jeweils
mit einer kapazitiven Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines
die Lage der jeweiligen Sensormasse relativ zu der Rahmenanordnung
repräsentierenden
Ausgangssignals versehen sind.
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Hierbei
ist es vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Sensormassen in einer
gemeinsamen Ebene in der Rahmenanordnung gelagert sind und dass die
ersten und zweiten Anschlusselemente aller Sensormassen in einer
gemeinsamen Anschlussebene vorgesehen sind.
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Gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist es vorgesehen, dass eine Sensormasse zur Erfassung der Beschleunigung
des Objekts in einer horizontalen Richtung vorgesehen ist, welche
eine in der Höhe nach
oben gegenüber
dem Massenschwerpunkt versetzte Lagervorrichtung aufweist, wobei
die Sensormasse bei Beschleunigung des Objekts eine Drehbewegung
um eine durch die Lagervorrichtung definierte Drehachse ausführt.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
ist es vorgesehen, dass eine Sensormasse durch Erfassung der Beschleunigung
des Objekts in einer vertikalen Richtung vorgesehen ist, welche
eine seitlich zum Massenschwerpunkt versetzte Lagervorrichtung aufweist,
wobei die Sensormasse bei Beschleunigung des Objekts eine Drehbewegung
um eine durch die Lagervorrichtung definierte Drehachse ausführt.
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Hierbei
ist es insbesondere vorteilhaft vorzusehen, dass die ersten Kondensatorelektroden
paarweise jeweils auf entgegengesetzten Seiten der durch die Lagervorrichtung
definierten Drehachse auf der Sensormasse vorgesehen sind, und dass
die zweiten Kondensatorelektroden ebenfalls paarweise jeweils den
ersten Kondensatorelektroden gegenüberliegend an der Rahmenanordnung
vorgesehen sind, und dass zur Erzeugung des kapazitiven Ausgangssignals
der Erfassungseinrichtung die Differenzkapazität der paarweisen Kondensatorelektroden
verwendet wird. Die Erfassung der Differenzkapazität zur Erzeugung
des Ausgangssignals ist insbesondere von Vorteil, um Störeinflüsse zu vermindern.
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Vorzugsweise
ist es vorgesehen, dass die auf der Sensormasse vorgesehenen ersten
Kondensatorelektroden durch ein leitfähiges Material gebildet sind,
aus welchem die Sensormasse hergestellt ist.
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Bei
den Ausführungsformen,
bei denen die Rahmenanordnung ein die Sensormasse seitlich umgebendes
Mittelteil und ein daran angeordnetes erstes Deckelteil enthält, ist
es vorteilhaft, wenn das erste Deckelteil der Rahmenanordnung aus
einem alkalimetallhaltigen Glas hergestellt ist.
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Ebenso
ist es vorteilhaft vorzusehen, dass das zweite Deckelteil der Rahmenanordnung
aus einem alkalimetallhaltigen Glas hergestellt ist.
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Schließlich ist
ein Verfahren zur Herstellung eines Beschleunigungssensors nach
einer der vorgenannten Ausführungsformen
vorgesehen, wobei jede der Sensormassen zunächst mit einer eigenen als Einzelsensor
angefertigt wird und dass die Einzelsensoren dann zu einem Gesamtsensor
zusammengefügt
werden.
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Im
folgenden werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1a eine
perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines mikromechanischen
kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung
eines Objekts in einer Richtung (x) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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1b ein
elektrisches Ersatzschaltbild des kapazitiven Beschleunigungssensors
gemäß 1a;
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2 eine
Querschnittsansicht eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß dem in 1a gezeigten
ersten Ausführungsbeispiel;
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3 die
perspektivischen Ansichten von drei Sensormassen eines mikromechanischen
kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung
eines Objekts in drei Richtungen (x, y, z) in Erweiterung des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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4a eine
perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines mikromechanischen
kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung
eines Objekts in einer Richtung (x) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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4b ein
elektrisches Ersatzschaltbild des kapazitiven Beschleunigungssensors
von 4 gemäß einer Variante mit kapazitiver
Kopplung;
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4c ein
elektrisches Ersatzschaltbild des kapazitiven Beschleunigungssensors
von 4a gemäß einer
Variante mit galvanischer Kopplung;
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5 eine
Querschnittsansicht des mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß dem Ausführungsbeispiel
von 4a;
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6 <eine Querschnittsansicht
eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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7 eine
perspektivische Ansicht einer Sensormasse eines mikromechanischen
kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung der Beschleunigung
eines Objekts in zwei Richtungen (x, y), gemäß einem vierten und einem fünften Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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8a u.
b jeweils Draufsichten aus Anordnungen von Kondensator- und Anschlusselementen eines
mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung
der Beschleunigung eines Objekts in zwei Richtungen (x, y) gemäß dem vierten
und fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In 1a und 2 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines mikromechanischen kapazitiven Beschleunigungssensors zur Erfassung
der Beschleunigung eines Objekts in einer Richtung, nämlich der
Richtung x, insgesamt mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet.
Der Beschleunigungssensor 100 umfasst eine Rahmenanordnung 110,
welche aus einem Mittelteil 111, einem ersten Deckelteil 112 und
einem zweiten Deckelteil 113 besteht, wobei letzteres nur
in 2 gezeigt ist. Die Rahmenanordnung 110 ist
bezüglich
dem Objekt, dessen Beschleunigung erfasst werden soll, ortsfest
angeordnet. Der Beschleunigungssensor 100 enthält eine
träge Sensormasse 101,
welche relativ zu der Rahmenanordnung 110 des Beschleunigungssensors 100 beweglich
ist und die mittels einer Lagervorrichtung 105 bezüglich der
Rahmenanordnung 110 um eine Ausgangslage elastisch gelagert
ist. Die träge
Sensormasse 101 hat einen Schwerpunkt, der gegenüber der
Drehachse der Sensormasse 101 in einer senkrecht zur Waferebene
gerichteten Richtung versetzt angeordnet ist.
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D.h.,
der Schwerpunkt der Sensormasse 101 ist in bezug auf die
Drehachse ausgelagert, wobei die Drehachse in der Nähe der Oberfläche des
Wafers bzw. der Sensormasse 101 liegt und der Schwerpunkt
bei horizontal ausgerichteter Waferoberfläche unterhalb der Drehachse
liegt. Somit kann eine parallel zur Waferoberfläche gerichtete Beschleunigung F
gemessen werden, die eine Auslenkung der trägen Sensormasse 101 um
die Drehachse bewirkt.
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Das
Mittelteil 111 der Rahmenanordnung 110 umgibt
die Sensormasse 101 seitlich und das erste Deckelteil 112 ist
höhenversetzt
zu der Sensormasse 101 an dem Mittelteil 111 angeordnet.
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Die
Lagervorrichtung 105 ist bei dem in den 1a und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel durch
Torsionselemente gebildet, an welchen die Sensormasse 101 bezüglich der
Rahmenanordnung 110, d.h. bezüglich dessen Mittelteil 111 um
die besagte Ausgangslage drehelastisch gelagert ist. Die die Lagervorrichtung 105 bildenden
Torsionselemente sind auf einer gemeinsamen Drehachse befindlich an
einander gegenüberliegenden
Seiten der Sensormasse 110 vorgesehen und die Sensormasse 101 ist damit
nur bezüglich
einer einzigen Richtung, nämlich der
in 1a mit x bezeichneten Koordinatenrichtung relativ
zu der Rahmenanordnung 110 beweglich. Die Sensormasse 101 bewegt
sich beim Auftreten einer Beschleunigungskraft Fx in Richtung der x-Achse
um diese Drehachse, wobei die Auslenkung am Rand der Sensormasse 101 nach
oben und unten gerichtet ist. Die Torsionselemente 105 sind
einerseits an dem Mittelteil 111 der Rahmenanordnung 110 und
andererseits an der Sensormasse 101 drehstabil festgelegt.
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Weiterhin
umfasst der Beschleunigungssensor 100 eine kapazitive Erfassungseinrichtung 120 zur
Erzeugung eines kapazitiven Ausgangssignals, welches die Lage der
Sensormasse 101 relativ zu der Rahmenanordnung 110 repräsentiert
und welche an der Sensormasse 101 vorgesehene erste Kondensatorelektroden 121, 122 und
an der Rahmenanordnung 110 den ersten Kondensatorelektroden 121, 122 gegenüberliegend
vorgesehene zweite Kondensatorelektroden 125, 126 umfasst.
Die an der Sensormasse 101 vorgesehenen ersten Kon densatorelektroden 121, 122 sind über eine
Kopplungsanordnung, die durch eine die Torsionselemente 105 umfassende
galvanische Verbindung gebildet ist und die über eine Metallisierung 141 an
dem Mittelteil 111 der Rahmenanordnung 110 verläuft, mit
einem an der Rahmenanordnung 110, nämlich an deren ersten Deckelteil 112 vorgesehenen
ersten Anschlusselement 142 verbunden. Zweite Anschlusselemente 145, 146, die
ebenfalls an dem ersten Deckelteil 112 der Rahmenanordnung 110 vorgesehen
sind, sind mit den zweiten Kondensatorelektroden gekoppelt.
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Die
auf der Sensormasse 101 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden 121, 122 sind
durch ein leitfähiges
Material gebildet, aus welchem die Sensormasse 101 hergestellt
ist. Auf diese Weise ergibt sich für die ersten und zweiten Kondensatorelektroden 121, 122 und 125, 126 ein
elektrisches Ersatzschaltbild, wie es in 1b) gezeigt
ist. Zwei Kapazitäten
E1 und E3 sind zwischen zwei Bezugsspannungen +Vref (Anschlusselement 145)
und –Vref
(Anschlusselement 146) in Reihe geschaltet und in ihrer Mitte
mit einer Klemme K1 verbunden (Anschlusselement 142), an
welcher das Ausgangssignal Vout abgenommen werden kann.
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Das
erste Anschlusselement 142 und die zweiten Anschlusselemente 145, 146 sind
in einer gemeinsamen Anschlussebene 150 angeordnet, welche
bei dem hier besprochenen ersten Ausführungsbeispiel gegen die an
der Sensormasse 101 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden 121, 122 versetzt
ist, wobei diese Höhenversetzung
mittels der durch die Torsionselemente 105, die Metallisierung 141 und
das erste Anschlusselement 142 gebildete Kopplungsanordnung überbrückt wird.
In der besagten gemeinsamen Anschlussebene 150 sind zusammen
mit den ersten und zweiten Anschlusselementen 142 und 145, 146 auch
die zweiten Kondensatorelektroden 125, 126 angeordnet,
wobei die Anschlussebene 150 durch die eine Seite des ersten Deckelteils 112 gebildet
ist. Das erste Anschlusselement 142, die zweiten Anschlusselemente 145, 146 sowie
die zweiten Kondensatorelektroden 125, 126, die
mit den letzteren verbunden sind, sind aus einer einzigen auf der
der Sensormasse 101 zugewandten Seite des ersten Deckelteils 112 ausgebildeten
leitenden Schicht hergestellt.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, bildet das Mittelteil 111 zusammen
mit dem ersten Deckelteil 112 und dem zweiten Deckelteil 113 ein
hermetisch einschließendes
Gehäuse,
innerhalb dessen die Sensormasse 101 zusammen mit den ersten
Kondensatorelektroden 121, 122 und den zweiten
Kondensatorelektroden 125, 126 angeordnet ist.
Das erste Deckelteil 112 und das zweite Deckelteil 113 der
Rahmenanordnung 110 sind aus einem alkalimetallhaltigen
Glas hergestellt.
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3 zeigt
die Sensormassen 101, 102, 103, die zur
Erfassung der Beschleunigung eines Objekts in mehreren Richtungen,
nämlich
den Richtungen x, y, z des in 3 dargestellten
Koordinatensystems vorgesehen sind. Die Sensormasse 101 (Teilfigur
A) entspricht der Sensormasse 101 des in den 1a)
und 2 dargestellten Beschleunigungssensors. Sie ist
mittels Torsionselementen 105 torsionselastisch gelagert
und dabei um eine Ausgangslage beweglich. Die Torsionselemente 105 definieren
eine Drehachse, welche gegen den Massenschwerpunkt Mx der Sensormasse 101 in
der Höhe nach
oben versetzt ist, so dass eine in x-Richtung wirkende Beschleunigungskraft
Fx eine Auslenkung Sx bewirkt. Die Sensormasse 102 (Teilfigur
B) entspricht in ihrer Konfiguration im wesentlichen der Sensormasse 101,
verfügt
ebenfalls über
Torsionselemente 106, welche eine Lagervorrichtung bilden, mittels
derer die Sensormasse 102 drehelastisch gelagert ist, jedoch
ist die durch die Torsionselemente 106 definierte Drehachse
in der horizontalen Ebene um 90° gegenüber der
Drehachse der Sensormasse 101 verdreht. Die durch die Torsionselemente 106 gebildete
Drehachse ist wiederum gegen den Massenschwerpunkt My der Sensormasse 102 in
der Höhe
nach oben versetzt, so dass eine in y-Richtung wirkende Beschleunigungskraft
Fy eine Auslenkung Sy der Sensormasse um ihre Ausgangslage hervorruft.
Die Sensormassen 101 und 102 sind entsprechend
der Sensormasse 101 der 1a) und 2 mit
ersten Kondensatorelektroden 121 und 122 einer (in 3 nicht
eigens dargestellten) kapazitiven Erfassungseinrichtung versehen,
welche ein die Lage der Sensormasse 101 bzw. 102 relativ
zu einer (in 3 ebenfalls nicht eigens dargestellten
Rahmenanordnung) repräsentierendes
kapazitives Ausgangssignal erzeugt.
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Eine
dritte Sensormasse 103 (Teilfigur C der 3)
ist mittels eine Lagervorrichtung bildenden Torsionselementen 107 um
eine Drehachse drehbar gelagert. Der Massenschwerpunkt Mz ist seitlich
versetzt zu der durch die Torsionselemente 107 gebildete
Drehachse. Eine durch eine Beschleunigung in der vertikalen z-Richtung
bewirkte vertikale Beschleunigung Fz bewirkt eine Auslenkung Sz
des Endes der Sensormasse 103, wie in Teilfigur C gezeigt
ist.
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Jede
der Sensormassen 101, 102, 103 ist mit einer
kapazitiven Erfassungseinrichtung zur Erzeugung eines ihre jeweilige
Lage relativ zu einer (nicht dargestellten) Rahmenanordnung repräsentierenden Ausgangssignals
versehen. Diese kapazitive Erfassungseinrichtung besteht jeweils
aus (in 3 nicht dargestellten) ersten
Kondensatorelektroden, die paarweise jeweils auf entgegengesetzten
Seiten der durch die Torsionselemente 105, 106 bzw. 107 definierten
Drehachsen Ax, Ay, Az vorgesehen. Diesen ersten Kondensatorelektroden
gegenüberliegend sind
zweite Kondensatorelektroden der kapazitiven Erfassungseinrichtung
an der (nicht dargestellten) Rahmenanordnung des Beschleunigungssensors vorgesehen.
Für die
in den Teilfiguren A und B dargestellten Sensormassen 101 und 102 bedeutet
dies eine Anordnung ähnlich
der, wie sie in 1a) und 2 dargestellt
ist, bei der in der Teilfigur C der 3 dargestellten
Sensormasse 103 ist die eine erste Kondensatorelektrode
links von der durch die Torsionselemente 107 definierten
Drehachse auf dem kurzen Stück
der Sensormasse 103 angeordnet, die andere Kondensatorelektrode
rechts von der durch die Torsionselemente 107 definierten
Drehachse symmetrisch zu der ersteren. Zur Erzeugung des kapazitiven
Ausgangssignals der kapazitiven Erfassungseinrichtungen wird wiederum
die Differenzkapazität
der paarweisen Kondensatorelektroden verwendet, ähnlich wie bei dem anhand der 1 und 2 erläuterten
Ausführungsbeispiel.
Die auf der Sensormasse 101, 102 bzw. 103 vorgesehenen
ersten Kondensatorelektroden sind bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
durch ein leitfähiges
Material gebildet, aus welchem die Sensormasse 101, 102, 103 hergestellt
ist.
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Jede
der in 3 dargestellten Sensormassen 101, 102, 103 wird
vorzugsweise zunächst
mit einer eigenen Rahmenanordnung als Einzelsensor hergestellt,
diese Einzelsensoren werden dann zu einem Gesamtsensor zusammengefügt, welche
in der Lage ist, Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen x,
y, z zu erfassen.
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Der
in 4a, 5 und 6 dargestellte Beschleunigungssensor
gemäß einem
zweiten und einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 200; 300 bezeichnet.
Der Beschleunigungssensor 200; 300, der zur Erfassung
der Beschleunigung eines Objekts in einer Richtung x des in 4a)
eingezeichneten Koordinatensystems dient, umfasst eine Rahmenanordnung 210; 310 welche
bezüglich
dem Objekt ortsfest ist, dessen Beschleunigung erfasst werden soll,
und umfasst weiterhin eine träge
Sensormasse 201; 301, welche relativ zu der Rahmenanordnung 210; 310 des
Beschleunigungssensors 200; 300 beweglich ist. Die
Sensormasse 201; 301 ist mittels einer Lagervorrichtung 205; 305 bezüglich der
Rahmenanordnung 210; 310 um eine Ausgangslage elastisch
gelagert.
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Die
Rahmenanordnung 210; 310 umfasst ein die Sensormasse 201; 301 seitlich
umgebendes Mittelteil 211; 311 und ein höhenversetzt
zu der Sensormasse 201; 301 an dem Mittelteil 211; 311 angeordnetes
erstes Deckelteil 212, 312. Die Lagervorrichtung
ist bei den in 4 bis 6 dargestellten
zweiten und dritten Ausführungsbeispielen
durch Biegeelemente 205; 305 gebildet, an welchen
die Sensormasse 201; 301 bezüglich der Rahmenanordnung 210; 310 um
die besagte Ausgangslage biegeelastisch gelagert ist. Wie aus 4a zu
sehen ist, sind davon zwei in einer gemeinsamen Ebene befindliche, voneinander
beabstandet an der Sensormasse 201; 301 festgelegte
Biegeelemente 205; 305 vorgesehen, welche eine
Drehachse definieren, um welche die Sensormasse 201; 301 sich
beim Auftreten einer Beschleunigungskraft Fx in Richtung der x-Achse
bewegt, wobei die Auslenkung Sx am Rand der Sensormasse 201; 301 nach
oben und unten gerichtet ist. Die Biegeelemente 205; 305 sind
einerseits an der Sensormasse 201; 301 festgelegt
und andererseits an dem ersten Deckelteil 212; 312 der
Rahmenanordnung 210; 310.
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Der
Beschleunigungssensor 200; 300 verfügt über eine
kapazitive Erfassungseinrichtung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 220; 320 versehen
ist und der Erzeugung eines die Lage der Sensormasse 201; 301 relativ
zu der Rahmenanordnung 210; 310 und damit die Größe der die
Sensormasse 201; 301 aus ihrer Ausgangslage auslenkenden
Beschleunigungskraft Fx repräsentierenden
Ausgangssignals dient. Dieses ist ein Maß für die Beschleunigung des Objekts,
an welchem der Beschleunigungssensor angebracht ist. Die kapazitive
Erfassungseinrichtung 220; 320 enthält erste
Kondensatorelektroden 221, 222; 321, 322,
welche an der Sensormasse 201; 301 vorgesehen
sind, und zweite Kondensatorelektroden 225, 226; 325, 326,
die den ersten Kondensatorelektroden 221, 222; 321, 322 gegenüberliegend
an der Rahmenanordnung 210; 310, genau gesagt
an deren erstem Deckelteil 212; 312 vorgesehen sind.
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Allgemein
ist eine Kopplungsanordnung vorgesehen, die der Kopplung der an
der Sensormasse 201; 301 vorgesehenen ersten Kondensatorelektroden 221, 222 bzw. 321, 322 mit
ersten Anschlusselementen dient, von denen das erste Anschlusselement 242 des
Beschleunigungssensors 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
in 4a) zu sehen ist. Dieses erste Anschlusselement 242 ist
an der Rahmenanordnung 210, genauer an deren erstem Deckelteil 212 angeordnet.
Für den
in 6 dargestellten Beschleunigungssensor 300 nach
dem dritten Ausführungsbeispiel
verhält
es sich entsprechend, wobei dort das dem ersten Anschlusselement 242 von 4a entsprechende
Anschlusselement jedoch nicht sichtbar ist.
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Die
an dem ersten Deckelteil 212; 312 vorgesehenen
zweiten Kondensatorelektroden 225, 226 bzw. 325, 326 sind
mit zweiten ss226 des Beschleunigungssensors 200 verbunden
sind, in 4a zu sehen sind. Für den in 6 dargestellten
Beschleunigungssensor 300 des dritten Ausführungsbeispiels verhält es sich
entsprechend.
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Die
ersten Anschlusselemente, vgl. das Anschlusselement 242 in 4a,
und die zweiten Anschlusselemente, vgl. die Anschlusselemente 245, 246 in 4a,
sind in einer gemeinsamen Anschlussebene 250; 350 angeordnet,
welche gegen die an der Sensormasse 201; 301 vorgesehenen
ersten Kondensatorelektroden 221, 222; 321, 322 höhenversetzt
und durch die der Sensormasse 201; 301 zugewandte
Seite des ersten Deckelteils 212; 312 gebildet
ist. Die Kopplungsanordnung, welche die auf der Sensormasse 201 bzw. 301 befind lichen
ersten Kondensatorelektroden 221, 222 bzw. 321, 322 mit den
ersten Anschlusselementen, vgl. 242 in 4a), verbindet,
bildet eine Überbrückung der
Höhenversetzung
zwischen der Sensormasse 201; 301 und der besagten
gemeinsamen Anschlussebene 250; 350.
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Bei
dem Beschleunigungssensor 200 des in 4a und 5 dargestellten
zweiten Ausführungsbeispiels
ist die Kopplungsanordnung durch eine kapazitive Verbindung gebildet,
die eine auf der der Sensormasse 201 zugewandten Seite
des ersten Deckelteils 212 ausgebildete zweite Kopplungselektrode 232 und
eine dieser gegenüberliegend
an der Sensormasse 201 ausgebildete erste Kopplungselektrode 231 umfassen.
Die zweite Kopplungselektrode 232 ist mit dem oben genannten
ersten Anschlusselement 242 verbunden, welche an der der Sensormasse 201 zugewandten
Seite des ersten Deckelteils 212 vorgesehen ist, vgl. 4a.
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4b)
zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des Beschleunigungssensors 200 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel,
wie es in 4a und 5 dargestellt
ist. Wie ersichtlich ist, sind die durch die ersten Kondensatorelektroden 221, 222 und
die zweiten Kondensatorelektroden 225, 226 gebildeten
Kapazitäten
E1 und E3 zwischen einer positiven Bezugsspannung +Vref (Anschlussklemme 245)
und einer negativen Bezugsspannung –Vref (Anschlussklemme 246)
in Reihe geschaltet, wobei deren Mitte über eine durch die kapazitive
Kopplungsanordnung gebildete Kapazität E2 das Ausgangssignal Vout
abgibt.
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Bei
dem in 6 dargestellten dritten Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors 300 dagegen
sind die ersten Kondensatorelektroden 321, 322 auf
galvanischem Wege mit dem ersten Anschlusselement entsprechend dem
Anschlusselement 242 in 4a verbunden,
nämlich über die
Biegeelemente 305, welche aus einem leitenden Material
gebildet sind. Auf diese Weise entsteht eine galvanische Verbindung
der durch die ersten Kondensatorelektroden 321, 322 und 325, 326 gebildeten
Kapazitäten
E1 und E3, über
die die Ausgangsspannung Vout abgenommen werden kann, vgl. 4c.
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Wie
auch bei dem in 1a und 2 dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel
des Beschleunigungssensors ist bei den Beschleunigungssensoren 200 und 300 gemäß dem zweiten
und dritten Ausführungsbeispiel
in den 4a, 5 und 6 sowohl
das erste Deckelteil 212; 312 als auch das zweite
Deckelteil 213; 313 aus einem alkalimetallhaltigen
Glas hergestellt. Das an dem Mittelteil 211; 311 der
Rahmenanordnung 210; 310 dem ersten Deckelteil 212; 312 gegenüberliegend
angeordnete zweite Deckelteil 213; 313 bildet
zusammen mit dem Mittelteil 211; 311 und dem ersten
Deckelteil 212; 312 ein die Sensormasse 201; 301 zusammen
mit den ersten Kondensatorelektroden 221, 222; 321, 322 und
den zweiten Kondensatorelektroden 225, 226; 325, 326 hermetisch
einschließendes
Gehäuse.
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Die
ersten Anschlusselemente, vgl. 242 in 4a,
die zweiten Anschlusselemente, vgl. 245, 246 in 4a),
und die zweiten Kondensatorelektroden 225, 226 bzw. 325, 326 sind
bei den in 4a, 5 und 6 dargestellten
Ausführungsbeispielen
aus einer einzigen leitenden Schicht hergestellt, die auf der der
Sensormasse 201; 301 zugewandten Seite des ersten
Deckelteils 212; 312 ausgebildet ist.
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7 zeigt
eine Sensormasse 401; 501 von vierten und fünften Ausführungsbeispielen
des Beschleunigungssensors, bei denen Beschleunigungen in zwei Richtungen,
nämlich
den Richtungen x und y der Horizontalebene erfasst werden können. An
der Sensormasse 401; 501 ist zentral ein einziges
Biegeelement 405; 505 festgelegt, so dass die
Sensormasse beim Auftreten von Beschleunigungskräften Fx bzw. Fy bezüglich einer
(in 7 nicht dargestellten) Rahmenanordnung in zwei
verschiedenen Richtungen beweglich ist.
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Zum
Erfassen von die Lage der Sensormasse 401; 501 repräsentierenden
Ausgangssignalen sind kapazitive Erfassungseinrichtungen vorgesehen,
welche anhand der 8a und b beschrieben werden
sollen.
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8 zeigt einen Teil von kapazitiven Erfassungseinrichtungen 420; 520 zum
Erfassen der Lage der Sensormasse 401; 501 in
zwei Richtungen. Diese enthält
vier zweite Kondensatorelektroden 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528,
die paarweise einander gegenüberlie gend
auf entgegengesetzten Seiten des Biegeelements 405; 505 an
einem ersten Deckelteil 412; 512 einer Rahmenanordnung
vorgesehen sind, ähnlich
den in 1a und 2 bzw. 4a)
bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen. Diese zweiten
Kondensatorelektroden 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528 sind
elektrisch verbunden mit zweiten Anschlusselementen 445, 446, 447, 448; 545, 546, 547, 548.
Den zweiten Kondensatorelektroden 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528 gegenüberliegend
sind an der Sensormasse 401; 501 ähnliche
erste Kondensatorelektroden vorgesehen, welche in 7 jedoch
nicht eigens dargestellt sind.
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Bei
dem in 8a dargestellten vierten Ausführungsbeispiel
enthält
eine Kopplungsanordnung, welche die ersten Kondensatorelektroden,
die auf der Sensormasse 401 vorgesehen sind, mit einem ersten
Anschlusselement 442 auf dem ersten Deckelteil 412 verbindet,
eine das Biegeelement 405 umgebende erste Kopplungselektrode,
welche an der Sensormasse 401 vorgesehen ist (nicht dargestellt)
und eine das Biegeelement 405 umgebende, der ersten Kopplungselektrode
gegenüberliegend angebrachte
zweite Kopplungselektrode 432, welche an dem ersten Deckelteil 412 der
Rahmenanordnung vorgesehen ist. Auf diese Weise wird eine kapazitive Verbindung
zwischen den an der Sensormasse 401 vorgesehenen ersten
Kondensatorelektroden und dem ersten Anschlusselement 442 gebildet.
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Bei
dem in 8b) gezeigten fünften Ausführungsbeispiel
dagegen ist die Kopplungsanordnung durch eine galvanische Verbindung
gebildet, welche das Biegeelement 505 umfasst, so dass
die an der Sensormasse 501, vgl. 7, vorgesehenen ersten
Kondensatorelektroden über
das Biegeelement 505 galvanisch mit dem ersten Anschlusselement 542 verbunden
sind.
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Wie
auch bei den vorherigen Ausführungsbeispielen
sind die an der Sensormasse 401; 501 vorgesehenen
ersten Kondensatorelektroden durch ein leitfähiges Material gebildet, aus
welchem die Sensormasse 401; 501 hergestellt ist.
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Bei
besonders bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ist die Sensormasse aus einkristallinem Silizium gefertigt.
Dabei sind die Kondensatorelektroden der Sensormasse durch die Sensormasse
selbst gebildet. Die Sensormasse ist in diesen Fällen mit dem Rahmen elektrisch
leitend verbunden, wobei die Torsionsbalken bzw. Aufhängungen
der Sensormasse leitende Verbindungen zur Sensormasse bilden. Damit
ist die Sensormasse auf einem bestimmten elektrischen Potential
und bildet mit gegenüberliegenden
Kondensatorelektroden kapazitive Elemente zur Messung der Auslenkung
der Sensormasse. Die elektrische Kontaktierung der Sensormasse erfolgt
zum Beispiel an einer Stelle des Rahmens, die gut zugänglich ist
und über
die Torsionsbalken mit der der Sensormasse elektrisch leitend verbunden
ist.
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Die
Kontaktierung aller elektrischen Anschlüsse kann von einer Seite her
erfolgen, beispielsweise von der Rückseite des Sensors oder von
seiner Oberseite bei der in 1a gezeigten
Ausrichtung, bzw. Wafers. Es ist dabei möglich, im Wafer Löcher vorzusehen,
die leitfähiges
Material enthalten bzw. mit leitfähigem Material gefüllt sind,
um innenliegende Anschlusselektroden 142, 145, 146,
beispielsweise auf der der Sensormasse 101 gegenüberliegenden
Seite 150 des Deckelelements 112, von außen elektrisch
zu kontaktieren.
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An
Stelle der in 1a gezeigten Kopplungsanordnung 141, 142 mit
einer Anschlusselektrode 142 der Sensormasse 101 am
Deckelteil 112 kann die Anschlusselektrode der Sensormasse 101 auch
am unteren Rahmenteil 110 angeordnet sein, beispielsweise
auf der Unterseite des Absatzes bzw. Vorsprungs des Rahmenteils 110,
d.h. unterhalb des in 1a dargestellten Kopplungselements 141.
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- 100;
200; 300
- Beschleunigungssensor
- 101,
102, 103; 201; 301; 401; 501
- Sensormasse
- 105,
106, 107; 205; 305; 405; 505
- Lagervorrichtung
- 110;
210; 310
- Rahmenanordnung
- 111;
211; 311
- Mittelteil
- 112;
212; 312; 412; 512
- erstes
Deckelteil
- 113;
213; 313
- zweites
Deckelteil
- 120;
220; 320; 420; 520
- kapazitive
Erfassungseinrichtung
- 121,
122; 221, 222; 321, 322
- erste
Kondensatorelektroden
- 125,
126; 225, 226; 325, 326; 425, 426, 427, 428; 525, 526, 527, 528
- zweite
Kondensatorelektroden
- 141,
142; 231, 232, 242; 332; 432, 442; 542
- Kopplungsanordnung
- 231
- erste
Kopplungselektrode
- 232;
332; 432
- zweite
Kopplungselektrode
- 141
- Metallisierung
- 142;
242; 442; 542
- erste
Anschlusselemente
- 145,
146; 245, 246; 445, 446, 447; 545, 546, 547, 548
- zweite
Anschlusselemente
- 150;
250; 350; 450; 550
- Anschlussebene