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Title:
MICROMECHANICAL ACCELERATION SENSOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/138498
Kind Code:
A1
Abstract:
Micromechanical acceleration sensor, comprising at least one first seismic mass (2) that is suspended in a deflectable manner, at least one readout device (3a, 4a; 3b, 4b) for detecting the deflection of the first seismic mass and at least one resetting device (5).

Inventors:
SCHMID BERNHARD (DE)
HILSER ROLAND (DE)
Application Number:
PCT/EP2009/055942
Publication Date:
November 19, 2009
Filing Date:
May 15, 2009
Export Citation:
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Assignee:
CONTINENTAL TEVES AG & CO OHG (DE)
SCHMID BERNHARD (DE)
HILSER ROLAND (DE)
International Classes:
G01P15/125; G01P15/13; G01P15/18
Domestic Patent References:
WO1996017232A11996-06-06
WO2004076340A12004-09-10
Other References:
HA B ET AL: "A CAPACITIVE SILICON MICROACCELEROMETER WITH FORCE-BALANCING ELECTRODES", JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, JAPAN SOCIETY OF APPLIED PHYSICS, TOKYO,JP, vol. 37, no. 12B, 1 December 1998 (1998-12-01), pages 7052 - 7057, XP000880288, ISSN: 0021-4922
BOSER B E ET AL: "SURFACE MICROMACHINED ACCELEROMETERS", PROCEEDINGS OF THE CUSTOM INTEGRATED CIRCUITS CONFERENCE. SANTA CLARA, MAY 1 - 4, 1995; [PROCEEDINGS OF THE CUSTOM INTEGRATED CIRCUITS CONFERENCE], NEW YORK, IEEE, US, vol. CONF. 17, 1 May 1995 (1995-05-01), pages 337 - 344, XP000536820, ISBN: 978-0-7803-2585-2
Attorney, Agent or Firm:
CONTINENTAL TEVES AG & CO. OHG (DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Mikromechanischer Beschleunigungssensor, umfassend zumindest eine erste seismische Masse (2), welche auslenkbar aufgehängt ist, mindestens eine Ausleseeinrichtung

(3a, 4a; 3b, 4b) zur Erfassung der Auslenkung der ersten seismischen Masse und wenigstens eine Rückstelleinrichtung (5) .

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rückstelleinrichtung (5) zumindest eine, insbesondere im Wesentlichen flach ausgebildete, Elektrode umfasst und im Wesentlichen so ausgebildet und relativ zur ersten seismischen Masse (2) angeordnet ist, dass zwischen Auslenkung der ersten seismischen Masse aufgrund einer an die Rückstelleinrichtung angelegten elektrischen Spannung und dieser e- lektrischen Spannung ein im Wesentlichen quadratischer Zusammenhang besteht.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor mindestens zwei oder ein Vielfaches von zwei Ausleseeinrichtung aufweist, welche zu einem geometrischen oder massenbezogenen Mittelpunkt und/oder einer geometrischen oder massenbezogenen Mittelachse der ersten seismischen Masse oder des Beschleunigungssensors, symmetrisch angeordnet sind.

4. Beschleunigungssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor mindestens zwei oder ein Vielfaches von zwei Rückstelleinrichtungen aufweist, welche zu einem geometrischen oder massenbezogenen Mittelpunkt und/oder einer geometrischen oder massenbezogenen Mittelachse der ersten seismischen Masse oder des Beschleunigungssensors, symmetrisch angeordnet sind.

5. Beschleunigungssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Regelkreis umfasst, welcher zumindest die Auslenkung der ersten seismischen Masse auf einen definierten Auslenkungswert, insbesondere den einer Ruhelage der ersten seismischen Masse entsprechenden Auslenkungswert, mittels zumindest der Rückstelleinrichtung einregelt.

6. Beschleunigungssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die erste seismische Masse (2) exzentrisch bezüglich ihres Massenschwerpunkts (9) aufgehängt ist, insbesondere an zumindest einer Torsionsfeder (1) .

7. Beschleunigungssensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der ersten seismischen Masse zumindest zwei Ausleseeinrichtungen zugeordnet sind, welche bezüglich einer Aufhängungsachse der ersten seismischen Masse diesseits und jenseits dieser Aufhängungsachse und/oder beidseitig bezogen auf diese Aufhängungsachse zugeordnet und entspre-

chend angeordnet sind und/oder welche einem zentralen Bereich der ersten seismischen Masse zugeordnet sind und entsprechend angeordnet sind, und wobei die wenigstens eine Rückstelleinrichtung der ersten seismischen Masse bezogen auf deren Aufhängungsachse und/oder den zentralen Bereich weiter außen als die Ausleseeinrichtungen zugeordnet ist und entsprechend angeordnet ist.

8. Verfahren zur Messung einer Beschleunigung mit einem mikromechanischen Beschleunigungssensor, insbesondere einem Sensor gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Auslenkung zumindest einer ersten seismischen Masse mittels wenigstens einer Ausleseeinrichtung erfasst wird und die seismische Masse im Zuge eines Regelungsverfahrens mittels eines elektronischen Reglers, der mindestens eine Rückstelleinrichtung ansteuert, auf einen definierten Auslenkungswert, insbesondere den einer Ruhelage der seismischen Masse entsprechenden Auslenkungswert, eingeregelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest aus dem Wert einer elektrischen Spannung, welche an die Rückstelleinrichtung zur Regelung der Auslenkung der ersten seismischen Masse auf den definierten Wert im Rahmen der Regelung angelegt wird, die durch den Beschleunigungssensor erfasste Beschleunigung berechnet wird.

10. Verwendung des mikromechanischen Beschleunigungssensors gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 in Kraftfahrzeugen .

Description:

Mikromechanischer Beschleunigungssensor

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Beschleunigungssensor, ein Verfahren zur Messung einer Beschleunigung sowie die Verwendung des Beschleunigungssensors in Kraftfahrzeugen .

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen mikromechanischen Beschleunigungssensor sowie ein Verfahren zur Messung von Beschleunigungen vorzuschlagen, mit welchem Beschleunigungen relativ präzise erfasst werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den mikromechanischen Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 8.

Unter einer Rückstelleinrichtung wird vorzugsweise eine kapazitive Einrichtung verstanden, insbesondere nach dem e- lektrostatischen Prinzip wirkend, mittels derer die Auslenkung der seismischen Masse beeinflusst werden kann und dabei die Auslenkung der seismischen Masse besonders bevorzugt immer bzw. ständig auf einen definierten Auslenkungswert zurückgeregelt wird, wobei dieser definierte Auslenkungswert ganz besonders bevorzugt einer Ruhelage der seismischen Masse entspricht.

Es ist bevorzugt, dass die wenigstens eine Rückstelleinrichtung zumindest eine, insbesondere im Wesentlichen flach ausgebildete, Elektrode umfasst und im Wesentlichen so ausgebildet und relativ zur ersten seismischen Masse angeordnet ist, dass zwischen Auslenkung der ersten seismischen Masse

und/oder der auf diese wirkende Kraft aufgrund einer an die Rückstelleinrichtung angelegten elektrischen Spannung und dieser elektrischen Spannung ein im Wesentlichen quadratischer Zusammenhang besteht. Besonders bevorzugt umfasst die wenigstens eine Rückstelleinrichtung einen oder mehrere Plattenkondensatoren und ganz besonders bevorzugt keine mä- anderförmige Kondensatorstruktur, welche einen im Wesentlichen linearen Zusammenhang zwischen der Auslenkung der ersten seismischen Masse aufgrund einer an die Rückstelleinrichtung angelegten elektrischen Spannung und dieser elektrischen Spannung aufweist. Durch den oben beschriebenen quadratischen Zusammenhang bzw. der entsprechenden Ausbildung der Rückstelleinrichtung können sowohl relativ große als auch relativ geringe Beschleunigungen relativ präzise erfasst werden, da im Bereich relativ niedriger Beschleunigungen die Rückstellungsspannung-Beschleunigungs-Kennlinie relativ steil ist und der Sensor daher in diesem Bereich eine relativ hohe Auflösung aufweist und im Bereich relativ hoher Beschleunigungen diese Kennlinie relativ flach ist und so für diese relativ großen Beschleunigungen keine allzu großen Rückstellspannungen erforderlich sind. Der Beschleunigungssensor ist dabei insbesondere bevorzugt so ausgebildet, dass die Rückstellungsspannung-Beschleunigungs- Kennlinie zumindest bezüglich der ersten seismischen Masse und der ihr zugeordneten wenigstens einen Rückstelleinrichtung im Wesentlichen den Verlauf bzw. die Gestalt einer Wurzelfunktion aufweist.

Die Elektrode der wenigstens einen Rückstelleinrichtung ist vorzugsweise in einem Verkapselungsmodul des Beschleunigungssensors angeordnet, wobei dieses Verkapselungsmodul

insbesondere als Deckel ausgebildet ist.

Die Elektrode der wenigstens einen Rückstelleinrichtung weist zweckmäßigerweise mit einer Basisfläche bzw. Substratebene des Beschleunigungssensors einen Winkelbetrag von weniger als 20° auf und ist insbesondere im Wesentlichen parallel zur Basisfläche angeordnet.

Es ist bevorzugt, dass der Beschleunigungssensor mindestens zwei oder ein Vielfaches von zwei, Ausleseeinrichtung aufweist, welche zu einem geometrischen oder massenbezogenen Mittelpunkt und/oder einer geometrischen oder massenbezogenen Mittelachse der ersten seismischen Masse oder des Beschleunigungssensors, symmetrisch angeordnet und/oder ausgebildet sind.

Der Beschleunigungssensor weist vorzugsweise mindestens zwei oder ein Vielfaches von zwei, Rückstelleinrichtungen auf, welche zu einem geometrischen oder massenbezogenen Mittelpunkt und/oder einer geometrischen oder massenbezogenen Mittelachse der ersten seismischen Masse oder des Beschleunigungssensors, symmetrisch angeordnet und/oder ausgebildet sind.

Die wenigstens eine Rückstelleinrichtung und die mindestens eine Ausleseeinrichtung weisen mit der diesen zugeordneten seismischen Masse bevorzugt eine oder mehrere Kapazitäten auf. Diese Kapazität ist insbesondere als zumindest ein Plattenkondensator ausgebildet, besonders bevorzugt als Kammstrukturen mit mehreren Plattenkondensatoren.

- A -

Es ist zweckmäßig, dass die zwei oder mehr Rückstelleinrichtungen und/oder Ausleseeinrichtungen des Beschleunigungssensors so ausgebildet sind, dass bei Auslenkung zumindest der ersten seismischen Masse in eine erste Richtung die zumindest zwei Rückstelleinrichtungen und/oder Ausleseeinrichtungen gegenläufig Kapazitätsänderungen erfahren, also zueinander inverse Plattenabstandsänderungen . Insbesondere greifen dabei die Kammstrukturen gegenüberliegender Rückstell- und/oder Ausleseeinrichtungen zueinander versetzt ineinander. Diese gegenläufige Kapazitätsausbildung weisen besonders bevorzugt auch weiter oben beschriebene ansonsten symmetrische Rückstell- und/oder Ausleseeinrichtungen auf.

Die erste seismische Masse ist bevorzugt exzentrisch bezüglich ihres Massenschwerpunktes aufgehängt, insbesondere an zumindest einer Torsionsfeder. Bei Ausbildung des Beschleunigungssensors als ein-achsiger Sensor, also zur Erfassung von Beschleunigungen in einer Richtung, ist der Massenschwerpunkt zumindest der ersten seismischen Masse besonders bevorzugt in einer Richtung bezüglich ihrer Aufhängungsbzw. Torsionsachse ausgelagert ausgeprägt, dabei ist der Massenschwerpunkt ganz besonders bevorzugt unterhalb oder oberhalb der Aufhängungs- bzw. Torsionsachse, auf einer Senkrechten zu dieser Achse ausgelagert bzw. ausgeprägt. Bei Ausbildung des Beschleunigungssensors als mehr-achsiger Sensor, also zur Erfassung von Beschleunigungen in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen, ist der Massenschwerpunkt zumindest der ersten seismischen Masse besonders bevorzugt in zwei Richtung bezüglich ihrer Aufhängungs- bzw. Torsionsachse ausgelagert ausgeprägt, dabei ist der Massenschwerpunkt ganz besonders bevorzugt unterhalb oder oberhalb und

seitlich versetzt zur Aufhängungs- bzw. Torsionsachse ausgelagert bzw. ausgeprägt.

Es ist zweckmäßig, dass der Beschleunigungssensor als dreiachsiger Sensor ausgebildet ist und vier seismische Massen aufweist, welche jeweils an zumindest einer Torsionsfeder angehängt sind, wobei der Massenschwerpunkt der seismischen Masse jeweils gegenüber der Aufhängungsachse ausgelagert ist und jeweils zwei seismischen Massen so aufgehängt sind, dass die Aufhängungsachsen um im Wesentlichen 90° gegenüber den Aufhängungsachsen der zwei anderen seismischen Massen ausgebildet sind. Der Beschleunigungssensor umfasst insbesondere eine elektronische Auswerteschaltung oder ist an eine solche Auswerteschaltung angeschlossen, die aus den Auslenkungen und/oder Rückstellspannungen der vier seismischen Massen die Beschleunigungen in drei Richtungen erfassen kann. Die Aufhängungsachsen sind besonders bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einer x-y-Substratebene angeordnet, wobei die Aufhängungsachsen der vier seismischen Massen paarweise in x- Richtung und y-Richtung ausgerichtet sind, ganz besonders bevorzugt sind die Aufhängungsachsen bzw. Torsionsfedern dabei bezogen auf die eine Masse davor bzw. linksseitig und bezogen auf die andere Masse dahinter bzw. rechtsseitig jeweils des Massenschwerpunktes der jeweiligen seismischen Masse angeordnet bzw. ausgebildet. Oberhalb und/oder unterhalb, also in z-Richtung beabstandet, sind den seismischen Massen jeweils zwei Ausleseelektroden zugeordnet, wobei diese Ausleseelektroden beidseitig der Aufhängungsachse bzw. der entsprechenden Torsionsfeder zugeordnet bzw. angeordnet sind. Durch die jeweils ausgelagerten Massenschwerpunkte bezogen auf die jeweilige Aufhängungsachse bzw. durch die je-

weils bezogen auf die Massenschwerpunkte exzentrisch ausgebildet bzw. angeordneten Torsionsfedern wird ein Paar seismischer Massen bei Einwirkung einer Beschleunigung in x- Richtung gegenphasig um die y-Achse tordierend ausgelenkt und das andere Paar seismischer Massen bei Einwirkung einer Beschleunigung in y-Richtung gegenphasig um die x-Achse tordierend ausgelenkt. Bei Einwirkung einer Beschleunigung in z-Richtung, also senkrecht zur Substratebene, werden alle vier seismischen Massen gleichphasig tordierend um ihre jeweilige Aufhängungsachse ausgelenkt.

Es ist zweckmäßig, dass wenigstens der ersten seismischen Masse zumindest zwei Ausleseeinrichtungen zugeordnet sind, welche bezüglich einer Aufhängungsachse der ersten seismischen Masse diesseits und jenseits dieser Aufhängungsachse und/oder beidseitig bezogen auf diese Aufhängungsachse zugeordnet und entsprechend angeordnet sind und/oder welche einem zentralen Bereich der ersten seismischen Masse zugeordnet sind und entsprechend angeordnet sind, und wobei die wenigstens eine Rückstelleinrichtung der ersten seismischen Masse bezogen auf deren Aufhängungsachse und/oder den zentralen Bereich weiter außen als die Ausleseeinrichtungen zugeordnet ist und entsprechend angeordnet ist. Insbesondere ist jeweils eine Rückstelleinrichtung weiter außen als die Ausleseeinrichtung, besonders bevorzugt beidseitig der Ausleseeinrichtungen, angeordnet. Die Anordnung der wenigstens einen Rückstelleinrichtung im äußeren Bereich der seismischen Masse bewirkt, dass die benötigte Rückstellspannung aufgrund des relativ großen Hebels, bezogen auf die Aufhängungsachse, relativ gering bleiben kann, also nur relativ

geringe elektrische Rückstellspannungen erforderlich sind.

Der Beschleunigungssensor umfasst bevorzugt einen Regelkreis, welcher die Auslenkung der seismischen Masse auf einen definierten Auslenkungswert, insbesondere den einer Ruhelage der seismischen Masse entsprechenden Auslenkungswert, mittels zumindest der Rückstelleinrichtung einregeln kann.

Die wenigsten eine Ausleseeinrichtung erfasst die Auslenkung der seismischen Masse vorzugsweise nach dem kapazitiven Prinzip .

Es ist zweckmäßig, dass der Beschleunigungssensor wenigstens zwei Ausleseeinrichtungen aufweist, welche der seismischen Masse gemeinsam zugeordnet sind, wodurch eine differentielle Erfassung der Auslenkung der seismischen Masse durchgeführt werden kann und somit insbesondere eine Offsetkapazität nicht berücksichtigt werden muss.

Es ist bevorzugt, die wenigstens eine Ausleseeinrichtung o- berhalb und/oder unterhalb bzw. der seismischen Masse anzuordnen, bezogen auf die Substratebene, da hier keine zusätzliche Chipfläche für Auslese- bzw. Rückstellstrukturen erforderlich sind und somit der Sensor kleiner gefertigt werden kann.

Der Beschleunigungssensor weist bevorzugt jeweils, insbesondere paarweise, vor und hinter oder über und unter zumindest der ersten seismischen Masse wenigsten eine Rückstelleinrichtung bzw. zumindest eine Rückstellelektrode auf, wodurch die Gesamtkapazität der Rückstelleinrichtungen vergrößert,

insbesondere verdoppelt wird, und so geringere Rückstellspannugen, also an die jeweilige Rückstelleinrichtung angelegte elektrische Spannung, erforderlich sind.

Ein Vorteil des Beschleunigungssensors mit Rückstelleinrich- tung/en ist die kleine Bauform gegenüber Sensoren mit mehreren seismischen Massen, welche an Federn für verschiedene Messbereiche aufgehängt sind, oder gegenüber mehreren Sensoren. Ein weiterer Vorteil ist, dass bestehende Sensordesigns verwendet werden können, welche nur um die wenigstens eine Rückstelleinrichtung erweitert werden müssen.

Allein durch Integration wenigstens einer Rückstelleinrichtung bzw. zusätzlicher Elektroden kann der Messbereich eines low-g Sensors vorzugsweise (typisch l-5g) auf einen zusätzlichen höheren Messbereich (50-10Og) erweitert werden. Durch geeignete Anordnung in einem Kraftfahrzeug kann dadurch ein bisher teilweise üblicher bzw. bisher notwendiger, separater high-g Beschleunigungssensor entfallen.

Insbesondere gegenüber Rückstelleinrichtungen, die als mäan- derförmige Kammstrukturen ausgebildet sind, erlaubt wenigstens eine Rückstelleinrichtung umfassend zumindest einen Pa- rallelplattenkondensator die nichtlineare Rückstellung der seismischen Masse bzw. des Beschleunigungssignals. Hierdurch wird es deutlich erleichtert, die gegenläufigen Anforderungen nach möglichst hoher Auflösung im low-g Bereich und möglichst großem Messbereich bei möglichst kleinen Rückstellspannungen im high-g Bereich zu realisieren. Die üblicherweise mit einer Erhöhung des Messbereichs verbundene Reduzierung der Auflösung tritt bei dieser Lösung nur bei hohen

Beschleunigungen auf. Durch den nichtlinearen Verlauf der übertragungskennlinie ist damit sichergestellt, dass bei Messungen im low-g Messbereich (l-5g) eine relativ hohe Auflösung erzielt werden kann.

Das Verfahren wird vorzugweise weitergebildet, indem die Regelung ständig durchgeführt wird.

Es ist bevorzugt, dass zumindest aus dem Wert einer elektrischen Spannung, welche an die Rückstelleinrichtung zur Regelung der Auslenkung der seismischen Masse auf den definierten Auslenkungswert im Rahmen der Regelung angelegt wird, die durch den Beschleunigungssensor erfasste Beschleunigung berechnet wird.

Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des mikromechanischen Beschleunigungssensors in Kraftfahrzeugen, insbesondere zur kombinierten Erfassung von relativ geringen Beschleunigungen, beispielsweise für ESP-Applikationen, und relativ großen Beschleunigungen, beispielsweise für Insassenschutz- und Airbag-Applikationen .

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.

Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 ein beispielhaftes Regelungssystem eines Beschleunigungssensors in Form eines Blockschaltbilds, wo-

bei der Beschleunigungssensor eine Rückstellungsregelung umfasst und einen relativ breiten Messbereich aufweist.

Fig. 2 a) ein Ausführungsbeispiel mit vier Rückstelleinrichtungen, b) einen beispielhaften Beschleunigungssensor mit vier Ausleseeinrichtungen,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einer ersten seismischen Masse, die einen gegenüber ihrer Aufhängungsachse ausgelagerten Massenschwerpunkt aufweist,

Fig. 4 ein beispielhafter drei-achsiger Beschleunigungssensor,

Fig. 5 den Querschnitt eines beispielhaften Beschleunigungssensors mit zwei seismischen Massen 2b, 2c, welche durch eine Beschleunigung gleichphasig in z-Richtung ausgelenkt werden,

Fig. 6 den Querschnitt einer beispielgemäßen Beschleunigungssensors mit oben- und untenliegenden Elektroden und Rückstelleinrichtungen. Hierdurch wird weniger Rückstellspannung benötigt, da die Kapazität sich vergrößert. Ebenso ist die Signalstärke der Ausleseelektroden aus demselben Grund größer,

Fig. 7 eine beispielhafte übertragungsfunktion eines

Rückstellsignals und eines linearisierten Signals als Funktion der Beschleunigung, und

Fig. 8 die beispielhafte Darstellung der Auflösung eines rückgestellten Beschleunigungssensors in Abhängigkeit der Rückstellspannung an den Rückstellelektroden .

Fig. 1 zeigt beispielhaft das Funktionsprinzip mit den Schaltungsbestandteilen eines an Sensorelement 1, schematisch bestehend aus den Messkapazitäten Cl und C2, angeschlossenen elektronischen Reglers. Mit diesen Kapazitäten wird die Auslenkung der seismischen Masse gemessen. Die Anordnung von Cl, C2 ist dabei so gewählt, dass eine Auslenkung der seismischen Masse eine gegenläufige änderung der beiden Kapazitäten Cl und C2 bewirkt. Die Konvertierung des Kapazitätssignals in eine elektrische Messgröße erfolgt durch Einspeisung einer konstanten Wechselspannung an Pin (Carrier) . über den nachfolgenden Strom-Spannungswandler bestehend aus dem Verstärkerblock 2 und den beiden Referenzkapazitäten CREFl und CREF2 werden die Kapazitätsänderungen in Cl, C2 in ein proportionales Spannungssignal umgewandelt. Schaltungsblock 3 umfasst einen A/D-Wandler der das analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt. Für die Implementierung des A/D-Wandlers gibt es mehrere Ausführungsformen. Parallele Wandler erlauben die direkte Umsetzung in ein digitales Bit-Signal mit einer vorgegebenen Wandlungsbreite. Weitere alternative Ausführungsformen sind beispielsweise als Sigma-Delta Wandler ausgebildet, bei denen das analoge Signal zuerst in ein puls-weiten-moduliertes Signal und danach über wenigstens eine nachfolgende Dezimationsstufe in ein paralleles Digitalsignal gewandelt werden. Schaltungsblock 4 besteht aus einer Reglerstruktur die das Ausgangsig-

nal so einstellt, dass das Eingangssignal zu 0 geregelt wird. Dieser Regler bewirkt, dass das über den D/A-Wandler 7 und den Hochvoltconverter 8 auf die Rückstellelektroden C3, C4 zurückgeführte Spannungssignal sich so einstellt, dass die auf die seismische Masse einwirkende Kraft des Beschleunigungssignals durch die in C3 und C4 wirkende elektrostatische Kraft kompensiert wird. ähnlich wie bei dem A/D-Wandler kann auch hier ein Sigma-Delta-Wandler eingesetzt werden. Auch eine Kombination des A/D-Wandlers mit dem D/A-Wandler zu einem sogenannten „closed-loop-signal"-Delta-Wandler ist möglich .

Durch den für den Parallelplattenkondensator geltenden Zusammenhang, dass die wirkende elektrostatische Kraft proportional zum Quadrat der einwirkenden Spannung ist, ergibt sich die in Fig. 7 dargestellte, nichtlineare Abhängigkeit der Rückstellspannung von der einwirkenden Beschleunigung. In dem Signalverarbeitungsblock 8 wird das Signal durch eine Multiplikation quadriert und damit wieder ein linearer Zusammenhang zur Beschleunigung hergestellt. In Signalverarbeitungsblock 8 erfolgt dann ebenfalls der für Sensoren in dieser Genauigkeitsklasse vorteilhafte Abgleich des Offset und der Empfindlichkeit. über einen zusätzlichen Testeingang ist es möglich, die seismischen Masse über die elektrostatische Anregung für Testzwecke auszulenken. Damit können eventuell vorhandene lose Partikel oder ätzrückstände erkannt werden .

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Beschleunigungssensors dargestellt, welcher eine mit Federn Ia und Ib an einem Rahmen aufgehängte seismische Mas-

se 2, Ausleseeinrichtungen 3a, 3b mit am Substrat befestigte Gegenelektroden 4a, 4b, mit denen eine Kapazitätsänderung dieser Kammstrukturen differentiell erfasst werden kann, um- fasst. Zusätzlich weist der Beschleunigungssensor Rückstelleinrichtungen 5aa-5bb mit Gegenelektroden 5a/b-L bzw. 5a/b- R, als kapazitive Kammstrukturen ausgebildet, auf, mit welchen Kräfte bereitgestellt bzw. erzeugt werden können, die der Bewegung der seismischen Masse 2 entgegenwirken. Durch ein Anlegen von einer zur Schwingung der seismischen Masse 2 phasenrichtigen elektrischen Spannung an 5a/b-L bzw. 5a/b-R kann eine einwirkende Kraft, insbesondere eine durch eine erfasste Beschleunigung hervorgerufene Kraft, kompensiert werden. Die vier Rückstelleinrichtungen 5aa bis 5bb sind zum Mittelpunkt seismischer Masse 2 symmetrisch angeordnet. Die Signalauslesung erfolgt beispielgemäß doppelt differentiell mittels der beiden Ausleseeinrichtungen 3a und 3b, welche symmetrisch zur Mittelachse seismischer Masse 2 in x- Richtung ausgebildet und angeordnet sind, wobei allerdings die Kammstrukturen versetzt bzw. gegenläufig ineinander greifen, wodurch bei Auslenkung seismischer Masse 2 in negativer x-Richtung, beispielhaft durch den Pfeil veranschaulicht, die Kammstrukturen der Ausleseeinrichtung 3a, 4a eine positive Kapazitätsänderung erfahren und die Kammstrukturen der Ausleseeinrichtung 3b, 4b eine negative.

In Fig. 2b) ist ein Ausführungsbeispiel mit vier Ausleseeinrichtungen 3a-3d, 4a-4d abgebildet, die im den Mittelpunkt seismischer Masse 2 symmetrisch angeordnet sind, dabei allerdings jeweils paarweise gegenläufig bzw. versetzt ineinandergreifende Kammstrukturen aufweisen, wodurch ein zusätzlich differentiellen Messen ermöglicht wird. Die Kapazi-

tätsänderungen c- und c+ dieser Kammstrukturen bei Auslenkung seismischer Masse 2 in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung sind ebenfalls veranschaulicht. Im äußeren Bereich sind vier schematisch angedeutete Rückstelleinrichtungen 5aa bis 5bb angeordnet.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt eines beispielhaften mikromechanischen Beschleunigungssensors, umfassend eine seismische Masse 2 mit zu den Federn 1 ausgelagertem Massenschwerpunkt, einem Rahmen 6, Ausleseeinrichtungen 4a, 4b sowie als Elektroden ausgebildete zusätzliche Rückstelleinrichtungen 5-L, 5-R. Der Beschleunigungssensor ist mittels eines Deckels bzw. Verkapselungsmoduls 7 verschlossen, welcher elektrische Durchkontaktierungen 8 aufweist, mit denen die Elektroden angeschlossen werden können.

Anhand der Fig. 4 ist ein beispielhafter drei-achsiger Beschleunigungssensor mit vier seismischen Massen 2a-d, mit bezüglich des Schwerpunkts der Massen 9a-d ausgelagerten Federaufhängungen bzw. Torsionsfedern la-d veranschaulicht. Von den vier seismischen Massen 2a-2d sind jeweils zwei seismischen Massen 2b, 2c so aufgehängt sind, dass die Aufhängungsachsen um im Wesentlichen 90° gegenüber den Aufhängungsachsen der zwei anderen seismischen Massen 2a, 2d ausgerichtet sind. Der Beschleunigungssensor umfasst insbesondere eine nicht dargestellt elektronische Auswerteschaltung oder ist an eine solche Auswerteschaltung angeschlossen, die aus den Auslenkungen und/oder Rückstellspannungen der vier seismischen Massen 2a bis 2d die Beschleunigungen in drei Richtungen erfassen kann. Die Aufhängungsachsen sind besonders bevorzugt im Wesentlichen parallel zu einer x-y-

Substratebene angeordnet, wobei die Aufhängungsachsen der vier seismischen Massen paarweise in x-Richtung Ia, Id und y-Richtung Ib, Ic ausgerichtet sind und dabei bezogen auf die eine Masse davor Id bzw. linksseitig Ib und bezogen auf die andere Masse dahinter Ia bzw. rechtsseitig Ic jeweils des Massenschwerpunktes 9a - 9d der jeweiligen seismischen Masse angeordnet bzw. ausgebildet sind. Oberhalb und/oder unterhalb, also in z-Richtung beabstandet, sind den seismischen Massen jeweils zwei nicht dargestellte Ausleseelektroden zugeordnet, wobei diese Ausleseelektroden beidseitig der Aufhängungsachse bzw. der entsprechenden Torsionsfeder zugeordnet sind. Durch die jeweils ausgelagerten Massenschwerpunkte bezogen auf die jeweilige Aufhängungsachse bzw. durch die jeweils bezogen auf die Massenschwerpunkte exzentrisch ausgebildet bzw. angeordneten Torsionsfedern wird ein Paar seismischer Massen bei Einwirkung einer Beschleunigung in x- Richtung gegenphasig um die y-Achse tordierend ausgelenkt werden und das andere Paar seismischer Massen bei Einwirkung einer Beschleunigung in y-Richtung gegenphasig um die x- Achse tordierend ausgelenkt. Bei Einwirkung einer Beschleunigung in z-Richtung, also senkrecht zur Substratebene, werden alle vier seismischen Massen gleichphasig tordierend um ihre jeweilige Aufhängungsachse ausgelenkt.

In Fig. 5 wird ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem den seismischen Massen 2b und 2c, die jeweils bezüglich ihres Massenschwerpunkts 9 mittels Torsionsfedern 1 exzentrisch aufgehängt sind zwei Ausleseeinrichtungen 4a und 4b zugeordnet sind, die beidseitig der Aufhängungsachse oberhalb der seismischen Masse 2b, 2c in einem zentralen Bereich dieser Massen angeordnet sind. Weiter außen ist jeweils

Rückstelleinrichtung 5 den seismischen Massen zugeordnet und angeordnet. Die Anordnung der Rückstelleinrichtungen 5 im äußeren Bereich der seismischen Massen 2b, 2c bewirkt, dass die benötigte Rückstellspannung aufgrund des relativ großen Hebels, bezogen auf die Aufhängungsachse, relativ gering bleiben kann, also nur relativ geringe elektrische Rückstellspannungen erforderlich sind.

Fig. 6 zeigt einen beispielhaften Querschnitt eines Beschleunigungssensors mit einer seismischen Masse 2, die gegenüber ihrem Massenschwerpunkt exzentrisch an Torsionsfeder

1 aufgehängt ist. Seismischer Masse 2 sind dabei jeweils beidseitig der Aufhängungsachse bzw. Torsionsfeder 1 Ausleseeinrichtungen oberhalb 4aa, 4ab und unterhalb 4ba, 4bb zugeordnet, bezogen auf die z-Richtung, senkrecht zur x-y- Substratebene . Bezogen auf die Ausleseeinrichtungen sind e- benfalls beidseitig oberhalb und unterhalb seismischer Masse

2 in einem äußeren Bereich Rückstelleinrichtungen 5 zugeordnet und entsprechend angeordnet. Diese sind mittels Durch- kontaktierungen 8a, 8b der Verkapselungsmodule bzw. Deckel 7a, 7b elektrisch kontaktiert.