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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen integrierten Halbleiterträgheitssensor
mit einem Eichungsmikoraktuator.
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Bekanntlich
können
durch die Ausnutzung der Maschinen und Herstellungsprozesse, die
typisch für
die Mikroelektronikindustrie sind, integrierte Halbleiterträgheitssensoren
mit niedrigen Kosten hergestellt werden, wobei gleichzeitig eine
hohe Zuverlässigkeit
hinsichtlich der Arbeitsweise erreicht wird.
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Ein
Trägheitssensor
der integrierten Bauart mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1
ist beispielsweise in WO 96739 615, WO 95/34 798 und EP-A-0 840
092 offenbart, wobei letztere mikrobearbeitete Vorrichtungen mit
kammartigen Betätigungsstrukturen
offenbaren.
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Obwohl
diese Trägheitssensoren
unter verschiedenen Gesichtspunkten vorteilhaft sind, besitzen sie
einen Nachteil hinsichtlich ihrer komplizierten Eichung, die auch
kostspielig ist, da es schwierig ist, sie auf dem Niveau des Wafers
zu eichen.
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Zudem
besitzen die auf diese Weise erhaltenen Sensoren einen Offset (Versetzung)
und eine Ausgangs/Eingangs-Empfindlichkeit, die von Parametern des
Herstellungsprozesses abhängt
und demgemäß muss in
geeigneter Weise eine Eichung vorgenommen werden.
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Um
den Sensor zu eichen, sieht eine erste Lösung vor, dass der bereits
in seine eigene Packung eingesetzte Trägheitssensor geschüttelt wird,
und zwar auf einem elektrodynamischen oder piezo-elektrischen Betätiger (Aktuator),
und zwar validiert gemäß erforderlichen
Standards. Die Wahl eines bestimmten Betätiger- oder Aktuatortyps basiert
auf der Basis des Bereichs der Betriebsfrequenzen des Trägheitssensors,
der geeicht werden soll. Die Eichungskurve, die dann erhalten wird,
wird im Allgemeinen in einer Speichervorrichtung gespeichert, die in
der Form ausgebildet ist, in der der Trägheitssensor selbst hergestellt
wird. Obwohl diese erste bekannte Lösung unter verschiedenen Gesichtspunkten
vorteilhaft ist, hat sie den Nachteil, dass sie extrem schwierig
auf Wafer-Niveau zu erreichen ist.
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Eine
zweite bekannte Lösung
ist in US-A 6 621 157 beschrieben. Dort wird die Integration auf
einem und demselben Wafer des Trägheitssensors, der
geeicht werden soll und eines elektrostatischen Aktuators vorgesehen,
der eine unbekannte zu messende Trägheitsgröße simuliert, wobei sich die
folgenden Eigenschaften ergeben:
er ist linear in der angelegten
Spannung
er ist präzise;
d.h. sein Betrieb ist praktisch unabhängig von den Parametern des
Integrationsprozesses.
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„Praktisch
unabhängig" bedeutet, dass der elektrostatische
Aktuator eine Konfiguration besitzt, die weniger empfindlich ist
als die des Trägheitssensors
gegenüber
den Variationen des Integrationsprozesses, der für die Herstellung des Trägheitssensors selbst
angewandt wird.
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Zudem
ist dieses zweite bekannte Verfahren für alle Sensoren gültig, und
zwar unabhängig
davon, ob sie in einer offenen Schleife oder in einer geschlossenen
Schleife bzw. Regelschleife betrieben werden.
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Mehr
ins Einzelne gehend, beschreibt US-A-6 621 157 ein Verfahren und
eine Vorrichtung, wobei ein Trägheitssensor
eine bewegliche Elektrode (Rotor) und zwei feste Elektroden (Statoren)
aufweist, wobei unterhalb deren sich eine Betriebs- oder Serviceelektrode
befindet (Aktuator wird auch als „Erdungsebene" bezeichnet). Durch
Veränderung der
an die Serviceelektrode angelegten Spannung und dadurch dass die
an die mobile Elektrode angelegte Spannung auf einem festen Wert
gehalten wird, wird eine seitliche Kraft erzeugt, die auf die bewegliche
Elektrode entlang einer Richtung parallel zu der Ebene, in der die
Serviceelektrode angeordnet ist, wirkt. Diese laterale oder seitliche
Kraft ist unabhängig
vom Abstand der beweglichen oder mobilen Elektrode und den festen
Elektroden, und zwar ein Abstand, der deutlich durch die Variationen
des Herstellungsprozesses des Trägheitssensors
beeinflusst wird und infolgedessen kann dieser als eine Bezugskraft
für die
Eichung des Trägheitssensors
selbst verwendet werden.
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Obwohl
diese zweite Lösung
im Hinblick auf eine Anzahl von Standpunkten vorteilhaft ist, hat
sie jedoch einen Nachteil insofern, als bei jeder Veränderung
der an die Serviceelektrode angelegten Spannung an der beweglichen
Elektrode zusätzlich
zu der seitlichen Kraft auch eine Vertikalkraft in einer Richtung
senkrecht zu der Ebene erzeugt wird, in der die Serviceelektrode
eingestellt ist. Zudem gilt Folgendes: Die Lateralkraft hat einen
Wert, der sich von null unterscheidet, nur dann, wenn unterschiedliche Spannungen
an die zwei festen Elektroden angelegt werden. Infolgedessen ist
das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser zweiten bekannten
Lösung wenig
effizient hinsichtlich der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische
Energie und Gültigkeit ergibt
sich nur für
bestimmte elektrische Konfigurationen des Trägheitssensors, der geeicht
werden muss.
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Das
der folgenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht
darin, einen integrierten Halbleiterträgheitssensor zu schaffen, und zwar
mit einem Eichungsmikroaktuator, der in der Lage ist die Einschränkungen
und Nachteile, wie sie oben erläutert
wurden, die beim Stand der Technik auftreten, zu überwinden.
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Das
technische Problem wird durch einen Trägheitssensor nach Anspruch
1 gelöst.
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Die
Merkmale und Vorteile des Trägheitssensors
gemäß der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, welches
nicht einschränkend
zu verstehen ist, und zwar wird in diesem Zusammenhang auf die Zeichnungen
Bezug genommen, in denen Folgendes gezeigt ist:
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Trägheitssensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Mikroaktuators zur Eichung des Trägheitssensor der 1;
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3 zeigt
ein äquivalentes
elektrisches Diagramm des Aufbaus der 1; und
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4 ist
eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Trägheitssensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 1 einen Trägheitssensor, beispielsweise
einen Winkelbeschleunigungssensor, und zwar integriert in einem Halbleitermaterial,
nämlich
Silizium.
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Im
Einzelnen weist der Trägheitssensor 1 einen
inneren Stator 2 auf, der integral mit einer Form 6 ausgebildet
ist, in der der Sensor selbst hergestellt ist und ferner ist ein
Außenrotor 3 vorgesehen,
der kapazitiv mit dem Stator 2 gekoppelt ist.
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Der
Rotor 3 weist eine mobile oder bewegliche Masse 4 auf,
die aufgehängt
ist und grundsätzlich
Ringform besitzt, wobei ferner eine Vielzahl mobiler oder beweglicher
Sensorarme 5 vorgesehen ist, die sich radial zu dem Stator 2 hin
erstrecken, und zwar ausgehend von der beweglichen Masse 4,
und ferner identisch miteinander und mit dem gleichen Winkelabstand
angeordnet; ferner sind elastische Aufhängungs- und Verankerungselemente
(Federn 8) vorgesehen, die elastisch die mobile Masse 4 mit den
ersten Anker und Vorspannzonen 30 verbinden, durch die
der Rotor 3 und die beweglichen Sensorarme 5 mit
der Vorspannung Vr vorgespannt sind, typischerweise mit dem Wert
von 1,5 V.
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Der
Stator 2 weist eine Vielzahl von Paaren fester Sensorarme 9a, 9b auf,
und zwar einen für
jeden mobilen Sensorarm 5 des Rotors 3, wobei
diese sich innerhalb der beweglichen Masse 4 selbst erstrecken,
und zwar zwischen den mobilen Sensorarmen 5 und wobei die
Befestigung an den zweiten Verankerungs- und Vorspannzonen 40 vorgesehen ist.
Die Paare der festen Sensorarme 9a, 9b sind derart
angeordnet, dass ein beweglicher oder mobiler Sensorarm 5 des
Rotors 3 eingestellt ist zwischen einem ersten festen Sensorarm 9a und
einem zweiten festen Sensorarm 9b eines Paars von festen
Sensorarmen 9a, 9b.
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Typischerweise
sind Stator 2 und die festen Sensorarme 9a, 9b vorgespannt,
und zwar durch zwei Verankerungs- und Vorspannzonen 40 mit
einer Vorspannung Vs, die Werte zwischen 1,5V und 2,2V annimmt.
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Infolgedessen
verdreht sich bei der Anwesenheit von Winkelbeanspruchungen die
bewegliche Masse 4 und die entsprechenden beweglichen Sensorarme 5,
und zwar in einer mikrometrischen Weise, und zwar entweder im Uhrzeigersinn
oder gegen den Uhrzeigersinn, wie dies durch den doppelköpfigen Pfeil
R angedeutet ist.
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Ein
Paar fester Sensorarme 9a, 9b und der entsprechende
dazwischen eingestellte bewegliche Sensorarm 5 können als
ein kapazitiver Teiler modelliert sein, und zwar gebildet aus zwei
variablen Kondensatoren, die in Serie geschaltet sind und bei denen
die zwei äußeren Platten
durch die festen Sensorarme 9a, 9b des Stators 2 definiert
sind, und wobei die zwei inneren Platten durch die beweglichen Sensorarme 5 des
Rotors 3 definiert sind. Zudem können die kapazitiven Teiler
aus all den Paaren von festen Sensorarmen 9a, 9b gebildet
werden und aus den entsprechenden mobilen Sensorarmen 5,
die parallel geschaltet sind mit den dazwischen befindlichen Knoten
der Teiler verbunden durch die bewegliche Masse 4. Infolgedessen
kann der gesamte Trägheitssensor 1,
in der in 3 gezeigten Art und Weise dargestellt
sein, wo die Elektrode S1 den Satz fester Sensorarme 9a repräsentiert
und einen ersten variablen Kondensator 31 bildet, und wobei
ferner die Elektrode S2 den Satz fester Sensorarme 9b repräsentiert
und einen zweiten variablen Kondensator 32 bildet.
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Der
Trägheitssensor 1 weist
auch einen integrierten Mikrobetätiger
(Mikroaktuator) 12 auf, verbunden mit dem Rotor 3.
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Mehr
ins Einzelne gehend, sei unter Bezugnahme auf 1 und 2 Folgendes
bemerkt: Der Mikroaktuator 12 weist vier Sätze 27 von
Betätigerelementen 13 auf,
und zwar verbunden mit und co-planar zu dem Rotor 3. Die
Sätze 27 sind
einer für
jeden Quadranten 14 des Trägheitssensors 1 angeordnet und
winkelmäßig mit
gleichem Abstand vorgesehen.
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Es
gibt insbesondere zwei Betätigerelemente 13 für jeden
Satz 27, und zwar identisch zueinander, und wobei ferner
jedes einen beweglichen Betätigerarm 15 aufweist,
der mit der beweglichen Masse 4 des Rotors 3 verbunden
ist und sich radial nach außen
erstreckt, und zwar startend an der beweglichen Masse 4 selbst.
Jeder bewegliche Betätigerarm 15 trägt eine
Vielzahl von beweglichen Betätigerelektroden 16,
die sich auf der einen oder anderen Seite des entsprechenden mobilen
Betätigerarms 15 erstrecken,
und zwar in einer grundsätzlich
umfangsmäßigen Richtung,
wobei die beweglichen Betätigerelektroden 16 mit
gleichem Abstand entlang des entsprechenden beweglichen Betätigerarms 15 angeordnet sind.
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Jedes
Betätigerelement 13 weist
darüber
hinaus ein Paar von festen Betätigerarmen 17a, 17b auf,
die sich radial erstrecken, wobei jedes Paar der festen Betätigerarme 17a, 17b aus
einem ersten festen Betätigerarm 17a und
einem zweiten festen Betätigerarm 17b gebildet
ist, die auf entgegen gesetzten Seiten bezüglich des entsprechenden beweglichen Betätigerarms 15 angeordnet
sind. Der erste feste Betätigerarm 17a trägt eine
Vielzahl von ersten festen Betätigerelektroden 19a und
der zweite feste Betätigerarm 17b trägt eine
Vielzahl von zweiten festen oder befestigten Betätigerelektroden 19b.
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Die
festen Betätigerarme 17a, 17b sind
auf die dritten Verankerungs- und Vorspannzonen 50 eingeschränkt, durch
die sie mit einer Vorspannung Vb vorgespannt werden, die Werte zwischen
1,5V und 5V annimmt.
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Die
festen Betätigerelektroden 19a, 19b erstrecken
sich grundsätzlich
in Umfangsrichtung zu dem entsprechenden mobilen Betätigerarm 15 und sie
sind mit Zwischenabständen
ausgestattet oder kammartig gefingert angeordnet mit den beweglichen Aktuator-
oder Betätigerelektroden 16.
In der Praxis können
die festen Betätigerelektroden 19a, 19b und die
entsprechenden beweglichen Betätigerelektroden 16 jedes
Betätiger-
oder Aktuatorelements 13, wie die festen Sensorarme 9a, 9b und
die mobilen Sensorarme 5 als ein kapazitiver Teiler modelliert sind,
und zwar gebildet durch zwei Kondensatoren, die in Serie geschaltet
sind, wobei die zwei äußeren Platten
durch die festen Betätigerelektroden 19a, 19b definiert
sind und wobei die zwei inneren Platten durch die mobilen Betätigerelektroden 16 definiert sind.
Zudem können
die kapazitiven Teiler aufgebaut sein aus allen Betätigerelementen 13,
und zwar in paralleler Verbindung, wobei die Zwischenknoten der Teiler
miteinander über
die mobile Masse 4 verbunden sind. Infolgedessen kann der
Mikroaktuator oder der Mikrobetätiger 12 in
der Weise repräsentiert
werden, wie dies in 3 gezeigt ist, wo die Elektrode S3
den Satz von festen Betätigerelektroden 19a repräsentiert
und einen ersten Betätigungskondensator 33 bildet
und wobei ferner die Elektrode S4 den Satz von festen Betätigerelektroden 19b repräsentiert
und einen zweiten Betätigungskondensator 34 bildet.
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Darüber hinaus
zeigt 3 eine Eichungsschaltung zum Eichen des Trägheitssensors 1,
und zwar Folgendes aufweisend: eine Treibereinheit 20 mit
Ausgangsklemmen bzw. Anschlüssen 22 und 23, gekoppelt
mit den festen Betätigerarmen 17a bzw. 17b und
somit mit den Elektroden S3 bzw. S4 und eine Abfühl- oder Sensoreinheit 24 mit
Eingangsklemmen oder Anschlüssen 25 und 26,
gekoppelt mit den festen Sensorarmen 9a, 9b des
Stators 2 und somit mit den Elektroden S1 bzw. S2. Die
Treibereinheit 20 wird im Folgenden im Einzelnen beschrieben
und erzeugt Antriebsspannung V1(t) und V2(t), die entgegengesetzt
bezüglich
eines konstanten Mittelwertes Vd(t) oszillieren oder schwingen.
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Der
Betrieb des Trägheitssensors 1 ist
wie folgt: Die Antriebs- oder Treiberspannungen V1(t) und V2(t)
gleich V1(t) = Vb + Vd(t) und V2(t)
= Vb – Vd(t)wo
Vb eine konstante Vorspannung und Vd(t) eine Wechselspannung ist,
beispielsweise eine quadratische Welle oder eine sinusförmige Welle
werden jeweils an die festen Betätigerelektroden 19a und 19b durch
die Treibereinheit 20 angelegt.
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Die
Spannungen V1(t) und V2(t) erzeugen alternativ an der beweglichen
Masse 4 eine quer verlaufende oder Transversalkraft proportional
zu der Anzahl der festen Betätigerelektroden 19a, 19b und der
Anzahl der interagierenden beweglichen Betätigerelektroden 16.
Zusätzlich
ist diese transversale oder Querkraft, vorausgesetzt, dass sich
die Spannung V1(t) und V2(t) in einem gegenphasigen Zustand befinden,
zuerst in einer Richtung und sodann in der entgegengesetzten Richtung
gerichtet.
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Insbesondere
hat diese Transversalkraft die Tendenz, jede bewegliche Betätigerelektrode 16 weg von
den festen Betätigerelektroden 19a, 19b zu
bewegen, und zwar wobei diesbezüglich
die bewegliche Betätigerelektrode 16 eine
niedrigere Potentialdifferenz besitzt, und die Tendenz der Transversalkraft
besteht darin, die mobile oder bewegliche Betätigerelektrode 16 näher zu den
festen Betätigerelektroden 19b, 19a zu
bringen, bezüglich
derer, diese eine höhere
Potentialdifferenz besitzt. Auf diese Weise erfährt die mobile Masse 4 eine
Drehbewegung mit einem Drallmoment τ proportional zu der Vorspannspannung
Vb der festen Betätigerarme 17a, 17b und
zur Wechselspannung Vd(t), und zwar gemäß der folgenden Beziehung: τ = α·Vb·Vd(t),wobei
der Parameter α die
Genauigkeit des Mikroaktuators oder Mikrobetätigers 12 ist und
abhängt
von der Anzahl der Paare von Elektroden, deren Dicke und relativen
Abstand, und zwar gemäß der folgenden
Beziehung: α =
4·ε0·N·Rm·t/g, wobei ε0 die
elektrische Konstante ist, N ist die Anzahl der Elektroden, Rm ist der Abstand der Elektroden von der
Drehmitte, t ist die Dicke der Elektroden (die mit der Dicke des
Polysiliziums zusammenfällt, welches
für die
Herstellung desselben auf dem Wafer verwendet wird) und g ist der
Abstand zwischen den Elektroden.
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Das
Drehmoment τ ist
unabhängig
von der relativen Versetzung zwischen den festen Betätigerelektroden 19a, 19b und
den beweglichen Betätigerelektroden 16,
insofern als es nur vom Abstand g der Paare von beweglichen/festen
Elektroden abhängt, der
konstant ist und der nicht abhängt
von der Fläche des
gegenseitigen Zuweisens, die variabel ist, unter der Voraussetzung,
dass die Elektroden sich im Wesentlichen parallel zur Richtung der
Bewegung R des Rotors 3 und somit der mobilen Elektroden 15 erstrecken.
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Das
Drallmoment τ,
dem die bewegliche Masse 4 ausgesetzt ist, bestimmt somit
eine Modulation in entgegengesetzter Phase der Kapazitäten der zwei
variablen Kondensatoren 31, 32, deren zwei äußere Platten
durch die festen Sensorarme 9a, 9b des Stators 2 definiert
sind, und deren zwei innere Platten durch die mobilen Sensorarme 5 des
Rotors 3 definiert sind. Von diesen zwei variablen Kondensatoren 31, 32 ist
der eine durch die beweglichen Sensorarme 5 und durch den
festen Sensorarm 9a, 9b definiert ist, der sich
am kleineren Abstand befindet, was den effektiven Kondensator bildet,
der die Erzeugung des Abfühlsignals
bestimmt, welches das Drallmoment τ anzeigt, dem die mobile Masse 4 ausgesetzt ist.
Dieses Abfühlsignal
wird sodann zu den Eingangsklemmen oder Anschlüssen 25 und 26 der
Abfühleinheit 24 geschickt,
die dieses als ein Referenzsignal zur Eichung des Trägheitssensors 1 verwendet.
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Die
Vorteile, die mit dem Trägheitssensor, der
oben beschrieben wurde, erreicht werden, sind die Folgenden: An
erster Stelle sind die Betätigerelemente 13 auf
Silizium definiert, und zwar mit der beweglichen Masse 4 und
daher sind keine zusätzlichen
Fabrikationsphasen erforderlich. Zudem ist der Trägheitssensor 1 effizienter,
was die Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie
anlangt, da der Mikroaktuator (Mikrobetätiger) 12 nicht irgendeine
Kraft erzeugt, die senkrecht auf die bewegliche Masse 4 einwirkt.
Ferner gilt Folgendes: Da die Querkraft, die auf die mobile Masse 4 einwirkt, unabhängig von
den an den Rotor 3 und den Stator 2 des Trägheitssensors 1 angelegten
Vorspannungen ist, ist die Eichung des Trägheitssensors 1 unabhängig von
seiner eigenen Betriebsspannung. Die beiden letzten beschriebenen
Vorteile sind sehr wichtig, insofern als sie den Trägheitssensor 1 weniger
kostspielig hinsichtlich Energie machen und vor allem die Schaltungskonfiguration
des Mikroaktuators 12 unabhängig von der Schaltungskonfiguration
des Trägheitssensors 1 machen
(beispielsweise sigma delta, Frequenzmodulation). Darüber hinaus
gilt Folgendes: Die Kamm-Finger-Konfiguration,
die für
die festen Betätigerelektroden 19a, 19b und
die mobilen Betätigerelektroden 16 gewählt wurde,
wird nicht durch das Problem der elektrostatischen Aufweichung, (d.h.
Reduktion der Starrheit des Systems) beeinflusst. Infolgedessen
werden die Charakteristika des Betätigers oder Aktuators nicht
modifiziert und letztere kann eine Kraft unabhängig von der Versetzung ausüben.
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Ferner
kann für
die Herstellung des Trägheitssensors 1 irgendeine
Art der Mikrobearbeitungstechnologie verwendet werden (beispielsweise
Oberflächen
oder epitaxiale Mikrobearbeitung, Metall-Elektrobeschichtung, usw.).
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Schließlich ist
klar, dass zahlreiche Abwandlungen und Veränderungen hinsichtlich des
Trägheitssensor
vorgenommen werden können,
wie dies beschrieben und veranschaulicht ist, wobei diese Veränderungen
in den Rahmen der Erfindung und der beigefügten Ansprüche fallen.
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Beispielsweise
könnte
die Anzahl der Sätze 27 von
Betätigerelementen 13 und
die Anzahl der Betätigerelemente 13 in
jedem Satz 27 unterschiedlich von dem was beschrieben wurde,
sein; insbesondere wäre
es möglich
selbst ein einziges Betätigerelement 13 vorzusehen,
und zwar verbunden mit der Masse 4 des Rotors 3 oder
auch zwei Betätigerelemente 13 können vorgesehen werden,
die diametral auf entgegengesetzten Seiten der mobile Masse 4 angeordnet sind.
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Zudem
kann der Trägheitssensor 1 zu
einer linearen Bauart wie in 4 gezeigt,
gehören,
bei dem verschiedene Teile des Trägheitssensors mit den gleichen
Bezugszeichen, wie in 1 bezeichnet, sind. In diesem
Falle wird der Mikrobetätiger 12 derart
betrieben, dass er der mobilen Masse 4 eine Schwingungsbewegung
aufprägt,
und zwar entlang einer Richtung Y und die beweglichen Betätigerelektroden 16 und
die festen Betätigerelektroden 19a, 19b sind
parallel zur Richtung Y.