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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement,
insbesondere einen Beschleunigungssensor, mit einer über eine
erste Biegefedereinrichtung auf einem Substrat federnd gelagerten
seismischen Masse, welche durch eine Beschleunigung in mindestens
einer Richtung auslenkbar ist, wobei die Auslenkung durch eine Anschlagseinrichtung
begrenzbar ist.
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Obwohl
auf beliebige mikromechanische Bauelemente und Strukturen, insbesondere
Sensoren und Aktuatoren, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung
sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen in
der Technologie der Silizium-Oberflächenmikromechanik herstellbaren
mikromechanischen Beschleunigungssensor erläutert.
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Beschleunigungssensoren,
und insbesondere mikromechanische Beschleunigungssensoren in der
Technologie der Oberflächen- bzw. Volumenmikromechanik,
gewinnen immer größere Marktsegmente
im Kraftfahrzeugausstattungsbereich und ersetzen in zunehmendem
Maße die
bisher üblichen
piezoelektrischen Beschleunigungssensoren.
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Die
bekannten mikromechanischen Beschleunigungssensoren funktionieren üblicherweise derart,
daß die
federnd gelagerte seismische Masseneinrichtung, welche durch eine
externe Beschleunigung in mindestens eine Richtung auslenkbar ist, bei
Auslenkung eine Kapazitätsänderung
an einer damit verbundenen Differentialkondensatoreinrichtung bewirkt,
die ein Maß für die Beschleunigung
ist.
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Es
sind insbesondere Beschleunigungssensoren bekannt, bei denen die
Auslenkung der seismischen Masse durch einen festen Anschlag begrenzbar
ist, der beispielsweise in einer Aussparung der seismischen Masse
untergebracht ist.
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Als
nachteilhaft bei den bekannten Beschleunigungssensoren hat sich
die Tatsache herausgestellt, daß die
seismische Masse als Mittelelektrode an solchen festen Anschlägen nach Überlast-Beschleunigungen
aufgrund von Adhäsionskräften und/oder
aufgrund von elektrostatischen Kräften, welche von Aufladungen
herrühren,
haften bleiben kann, da die Rückstellkraft
der Federn zu gering ist.
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Andererseits
würde eine
Erhöhung
der Rückstellkraft
der Federn die Meßempfindlichkeit nachteilig
beeinflussen.
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Die
Schrift
US 5 542 295
A zeigt in der
3 eine mikromechanische Vorrichtung
mit einem Auslenkungsteil, dessen Auslenkung durch federnde und feste
Anschläge
begrenzt wird. Die Offenlegungsschrift
DE 198 25 298 A1 zeigt
in der
9b und der dazugehörigen Beschreibung
eine mikromechanische Vorrichtung mit einem Auslenkungsteil mit
einer federnden und einer festen Auslenkungsbegrenzung, die zweistufig
ausgeführt
ist.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, daß die federnd
gelagerten mechanischen Anschläge
das Haftenbleiben der seismischen Masse an den Anschlägen wirksam
verhindern.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
daß die
Anschlagseinrichtung mindestens einen über eine zweite Biegefedereinrichtung
auf dem Substrat federnd gelagerten Anschlag aufweist. Zweckmäßigerweise
weist die zweite Biegefedereinrichtung eine höhere Biegesteifigkeit als die
erste Biegefedereinrichtung auf, ist also eine „harte” Feder. Ferner weist die Anschlagseinrichtung mindestens
einen fest auf dem Substrat gelagerten Anschlag auf. Somit hat man
eine Kombination von einem federnden und einem festen Anschlag,
wobei einem ersten Auslenkungsbetrag der federnd gelagerte Anschlag
in Wirkung tritt und bei einem zweiten Auslenkungsbetrag der fest
gelagerte Anschlag, wobei der erste Auslenkungsbetrag kleiner als
der zweite Auslenkungsbetrag ist. Somit wird die seismische Masse
zuerst abgebremst, bevor sie an den festen Anschlag gerät, wo sie
abrupt gestoppt wird. Dabei sollte die Vorspannung der elastischen
Anschläge
so dimensioniert sein, daß ein
Haftenbleiben verhindert ist. Außerdem ist die Anschlagseinrichtung
in einer Aussparung in der seismischen Masse vorgesehen. Dies erspart
Platz und ermöglicht
eine geschützte Unterbringung
der Anschlagseinrichtung.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
in Anspruch 1 angegebenen mikromechanischen Bauelements.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung ist der auf dem Substrat federnd gelagerte
Anschlag über
die zweite Biegefedereinrichtung mit dem fest auf dem Substrat gelagerten
Anschlag verbunden. Dadurch ist keine zusätzliche Substratverankerung für den federnd
gelagerten Anschlag erforderlich.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Anschlagseinrichtung
einen oder mehrere Vorsprünge
auf, auf die die Anschlagswirkung konzentriert ist. Dies reduziert
die Gefahr des Haftenbleibens weiter, da die Auflagefläche auf
wenige Punkte limitiert ist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Abstand der Vorsprünge im Bereich des
oder der federnd gelagerten Anschläge geringer als im Bereich
des oder der fest gelagerten Anschläge.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Anschlagseinrichtung
einen fest auf dem Substrat in einer Aussparung in der seismischen Masse
gelagerten Anschlag auf, von dem sich die zweite Biegefedereinrichtung
in eine Aussparung einer seitlich daran angebrachten beweglichen
Elektrode erstreckt, wobei der federnd gelagerte Anschlag im wesentlichen
am Ende der zweiten Biegefedereinrichtung vorgesehen ist. Dies hat
den Vorteil, daß die zweite
Biegefedereinrichtung länger
gestaltet werden kann, und daher ihre Biegesteifigkeit genauer einstellbar
ist.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Aufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 einen
Querschnitt durch den Beschleunigungssensor nach 1 entlang
der Linie A-A';
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3 eine
Aufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
Aufsicht auf einen bekannten Beschleunigungssensor;
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5 die
Masseanschläge 6 der 4 in vergrößerter Darstellung;
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6 einen
Querschnitt durch den Beschleunigungssensor nach 4 entlang
der Linie III-III; und
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7 einen
Querschnitt durch den Beschleunigungssensor nach 4 entlang
der Linie IV-IV.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten.
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Zur
näheren
Erläuterung
der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik wird zuerst mit
Bezug auf 4 bis 6 der Aufbau
eines bekannten Beschleunigungssensors näher erläutert.
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In
der 4 ist eine Aufsicht auf einen bekannten Beschleunigungssensor
und in den 5 und 6 sind Querschnitte
durch den Beschleunigungssensor nach 4 entlang
der Linien III bzw. IV gezeigt.
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Der
in der 4 gezeigte Beschleunigungssensor 1 ist
auf einem in der 4 nicht dargestellten Substrat 4 angeordnet,
welches jedoch in den Querschnitten der 5 und 6 dargestellt
ist.
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Der
Beschleunigungssensor 1 weist ein Feder-Masse-System auf,
welches aus Federelementen 2 und einer seismischen Masse 3 gebildet
ist. Wie in der 4 zu erkennen ist, ist das Federelement 2 aus
einer Vielzahl von Teilfederelementen 12 aufgebaut. Die
seismische Masse 3 ist durch mehrere Verbindungsstege 13 mit
einem ersten dieser Teilfederelemente 12 verbunden. Die
Teilfederelemente 12 sind entweder jeweils an ihren äußeren Enden
oder in ihrer Mitte durch Verbindungsstege 13 verbunden. Ausgehend
von der seismischen Masse 3 ist ein erstes Teilfederelement 12 mittels
dreier Verbindungsstege 13 in der Mitte des Teilfederelements 12 mit
der seismischen Masse 3 verbunden. Dieses erste Teilfederelement 12 ist
dann mittels Verbindungsstegen 13, die im äußeren Bereich
der Teilfederelemente liegen, mit einem zweiten Teilfederelement 12 verbunden,
welches dann mittels dreier Verbindungsstege in der Mitte mit einem
dritten Teilfederelement verbunden ist. Das dritte Teilfederelement 12 ist
dann durch äußere Verbindungsstege 13 mit
einem vierten Teilfederelement 12 verbunden, welches durch
Verbindungsstege 13 in der Mitte mit einem Lager 8 verbunden
ist.
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Ein
Lager 8 ist fest mit dem Substrat 4 verbunden,
wie dieses beispielsweise in der 7 zu erkennen
ist.
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In
der 7 wird ein Querschnitt durch das Lager 8 gezeigt,
welches durch die Schichten 21 und 20 fest mit
dem Substrat 4 verbunden ist. Die genaue Funktion der Schichten 21 und 20 werden
später noch
genauer erläutert.
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Weiterhin
zeigt die 7 noch einen Querschnitt durch
die Teilfederelemente 12 und durch Teile der seismischen
Masse 3. Wie in der 7 klar zu erkennen
ist, sind die Teilfederelemente 12 und die seismische Masse 3 mechanisch,
nicht unmittelbar, mit dem Substrat 4 verbunden, sondern
weisen einen Abstand zum Substrat 4 auf. Die Teilfederelemente 12 und
die seismische Masse 3 sind ausschließlich über das Lager 8 mechanisch
mit dem Substrat 4 verbunden. Diese Teile können daher
auch durch einwirkende Beschleunigungskräfte relativ zum Substrat verschoben
werden. Durch entsprechende Auslegung der Steifigkeit der Federelemente
wird dabei die Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigungskräften eingestellt.
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Wie
in der Aufsicht der 4 zu erkennen ist, ist die seismische
Masse 3 an zwei Seiten mittels Federelementen 2 an
Lagern 8 befestigt. Die Federelemente 2 weisen
dabei Teilfederelemente 12 auf, die in Y-Richtung sehr
lang sind und somit in X-Richtung eine geringe Steifigkeit aufweisen.
Es wird so sichergestellt, daß bei
kleinen Beschleunigungen in X-Richtung eine Auslenkung der Federelemente 12 bzw.
der seismischen Masse 3 erfolgt. An der seismischen Masse 3 sind
eine Vielzahl von beweglichen Elektroden 10 befestigt,
die beispielsweise, wie in der 4 gezeigt
wird, senkrecht zur X-Richtung ausgerichtet sind. Parallel zu diesen
beweglichen Elektroden 10 sind feststehende Elektroden 11 vorgesehen, die
jeweils durch ein Lager 8 fest mit dem Substrat 4 verbunden
sind. In der 4 wird aus Vereinfachungsgründen nur
eine einzige dieser feststehenden Elektroden 11 mit einem
dazugehörigen
Lager 8 gezeigt. Weiterhin werden in der 4 nur
einige wenige bewegliche Elektroden 10 gezeigt, die nur
für die linke
Seite der seismischen Masse 3 vollständig dargestellt sind. Auch
dies erfolgt aus Gründen
der Vereinfachung.
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Die
beweglichen Elektroden 10 und die feststehenden Elektroden 11 sind
elektrisch gegeneinander isoliert und bilden so Plattenkondensatoren,
deren Kapazität
sich in Abhängigkeit
von der in X-Richtung wirkenden Beschleunigung ändern. Durch Messung der Kapazität kann so
die Beschleunigung gemessen werden.
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Auf
Grund der langen Ausdehnung der Teilfederelemente 12 in
Y-Richtung, weisen die Federelemente 2 in X-Richtung eine
sehr geringe Steifigkeit auf. Weiterhin ist auch die Steifigkeit
in Z-Richtung, d. h. senkrecht zum Substrat 4, nur gering.
Da ein Beschleunigungssensor der beispielsweise für einen Meßbereich
bis zur einfachen Erdbeschleunigung ausgelegt ist, auch sehr große Stoßbeschleunigungen
tolerieren muß,
sind eine Vielzahl von Anschlägen
vorgesehen. Wie in der 4 zu erkennen ist, sind innerhalb
der seismischen Masse 3 Masseanschläge 6 vorgesehen, die
die Auslenkungen der seismischen Masse 3 parallel zum Substrat
in X-Richtung und in Y-Richtung beschränken. Die Federelemente 2 sind
weiterhin noch von Federanschlägen 5 umgeben,
die ausgehend von den Lagern 8 sich von allen Seiten um
die Teilfederele mente 12 herum erstrecken.
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In
der 5 sind die Masseanschläge 6 der 4 vergrößert dargestellt.
Bei den Masseanschlägen 6 handelt
es sich um Strukturen, die fest mit dem Substrat 4 verbunden
sind, wie dies beispielsweise in der 7 im Querschnitt
dargestellt wird. Wie in der 5 zu erkennen
ist, werden die Masseanschläge 6 vollständig von
der seismischen Masse 3 umgeben, so daß durch die Masseanschläge 6 die
Bewegungen der seismischen Masse 3 in jeder Richtung parallel
zum Substrat 4, d. h. in X- und Y-Richtung beschränkt wird.
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Sowohl
in der seismischen Masse 3 wie auch in den Masseanschlägen 6 sind
Vorsprünge 7 angeordnet
durch die sichergestellt wird, daß es dabei nur an einzelnen
Punkten, nämlich
nur an den Vorsprüngen 7,
zu einem Kontakt zwischen der seismischen Masse 3 und den
Anschlägen 6 kommt.
Der Abstand der Vorsprünge
ist insbesondere in X-Richtung dabei so gewählt, daß er maximal 1/2 bis 3/4 des
Abstandes zwischen den beweglichen Elektroden 10 und den
feststehenden Elektroden 11 beträgt.
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Die
Funktions- und Wirkungsweise der Federanschläge 5 wird nun anhand
der 6 näher
erläutert.
Die 6 zeigt einen Querschnitt, durch den Sensor nach
der 4 entlang der Linie III-III. Wie in der 6 zu
erkennen ist, handelt es sich bei den Federanschlägen 5 im
Vergleich zu den Teilfederelementen 12 um mechanisch vergleichsweise
stabile Strukturen, die über
Verbindungsschichten 21 und 20 fest mit dem Substrat 4 verbunden
sind. Die Federanschläge 5 sind
daher fest mit dem Substrat 4 verbunden und sind von ihrer
mechanischen Ausgestaltung auch so, daß sie größere Kräfte ohne nennenswerte Verformung
aufnehmen können.
Wie im Querschnitt durch die 6 ebenfalls
zu erkennen ist, sind die Teilfederelemente 12 in X-Richtung
relativ schlank ausgebildet. Bei einer starken Beschleunigung in X-Richtung
werden daher die Federelemente 12 stark verformt und bei
entsprechend starken Beschleunigungskräften seitlich gegen einen der
Federanschläge 5 gedrückt. Eine
weitere Verformung der Teilfederelemente 12 wird jedoch
verhindert, da ihre weitere Bewegung durch die mechanisch starren
Federanschläge 5 begrenzt
wird. Die Federanschläge schützen daher
die Federelemente vor zu starken Verformungen und vor Bruch oder
plastischen Verformungen. Durch die Ausbildung der Federanschläge 5 in
der gleichen Höhe
wie die Teilfederelemente 12 wird sichergestellt, daß die Federanschläge 5 diese Funktion
auch noch wahrnehmen können,
wenn gleichzeitig Beschleunigungskomponenten in Z- und X-Richtung
vorliegen.
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Die
Komponenten des Beschleunigungssensors 1 wie Lager 8,
Federelemente 2, seismische Masse 3, bewegliche
Elektroden 10 und feststehende Elektroden 11 sind
aus einem leitenden Material ausgebildet. Es wird so ermöglicht,
durch Kontaktierung der Lager 8, sowohl der Lager 8 der
feststehenden Elektroden 11 wie auch der Lager 8 an
denen die Federelemente 2 befestigt sind, eine Messung
des Sensorsignals darüber
vorzunehmen. Als leitendes Material kommt dann neben Metall insbesondere
Silizium in Frage, da sich Silizium mit gut bekannten Methoden aus
der Halbleiterherstellung bearbeiten läßt. Üblicherweise nimmt man dann
für derartige Sensoren
auch ein Substrat 4 aus Silizium, da ein derartiges Substrat
vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten gut an das Silizium des
Sensors angepaßt
ist. Unter der Voraussetzung, daß die Sensoren aus Silizium
bestehen, und auch das Substrat 4 aus Silizium besteht,
wird in der 6 ein Zweischichtiger Aufbau
für die
Verbindungsschichten zwischen dem Sensor und dem Substrat 4 dargestellt.
Die untere Schicht 20 besteht aus einem isolierenden Material
wie beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, einem Glas oder
einem Mischmaterial aus den vorgenannten Materialien. Für die zweite
Schicht 21 wird hier eine Leitschicht, insbesondere aus
stark dotiertem Polysilizium vorgesehen.
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Durch
diese Schicht wird sichergestellt, daß die Federanschläge 5 auf
dem gleichen Potential liegen, wie das Lager 8 und auch
die Teilfederelemente 12. Weiterhin haben sich diese Schichten
als hervorragende mechanische Befestigungsschichten bewährt.
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In
der 7 wird ein Querschnitt entlang der Linie IV der 4 gezeigt.
Die 7 zeigt einen Querschnitt durch ein Lager 8,
durch vier Teilelemente 12, einen Bereich der seismischen
Masse 3 und durch einen Masseanschlag 6. Die Isolationsschicht 20 und
die Leitschicht 21 erstrecken sich ausgehend vom Lager 8 unterhalb
der Teilfederelemente 12, und der seismischen Masse 3 bis
zum Masseanschlag 6. Der Masseanschlag 6 ist so
mechanisch fest mit dem Substrat 4 verbunden. Durch die
durchgehende Verbindungsschicht 21, die in der Art einer
Leiterbahn ausgebildet ist, wird ein elektrischer Kontakt zwischen
dem Lager 8 und dem Masseanschlag 6 hergestellt.
Es wird so sichergestellt, daß auch
der Masseanschlag 6 auf dem gleichen Potential liegt, wie
die sie umgebende seismische Masse 3 und es werden so elektrostatische
Anziehungskräfte
zwischen dem Masseanschlag 6 und der seismischen Masse 3 vermieden.
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Weiterhin
bildet die Leitschicht 21 in der 7 einen
Anschlag für
die seismische Masse unter die Teilelemente 12 in Z-Richtung,
durch die die Bewegung der seismischen Masse 3 bzw. der
Federelemente 2 in Richtung auf das Substrat 4 hin
beschränkt
wird. Wesentlich ist dabei, daß die
in der 7 gezeigte Leitschicht 21 bzw. Isolationsschicht 20 nur
einen Teil der Oberfläche
des Substrats 4 bedeckt, so daß die Kontaktfläche zwischen
der seismischen Masse 3 und der Schicht 21 gering
ist. Es wird so sichergestellt, daß auf Grund der geringen Berührungsfläche keine
nennenswerten Adhäsionskräfte auftreten
können.
Da die Leitschicht 21 auf dem gleichen Potential wie das
Lager 8 liegt, werden dadurch auch keine elektrostatischen
Anziehungskräfte
zwischen dieser Schicht 21 und der seismischen Masse 3 erzeugt.
Die Schicht 21 bildet somit zusammen mit der Schicht 20 einen
Anschlag mit dem ein unmittelbarer Kontakt der seismischen Masse 3 mit
dem Substrat 4 verhindert wird. Durch die isolierende Schicht 20 wird
dabei sichergestellt, daß kein
elektrischer Kurzschluß zwischen
der seismischen Masse 3 und dem Substrat 4 gebildet
wird.
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In
der 7 werden die Leitschicht 21 und die Isolationsschicht 20 in
der Form einer Leiterbahn dargestellt, die das Lager 8 und
den Masseanschlag 6 miteinander verbindet. Ebensogut können die Schichten 21 und 20 auch
unter anderen Bereichen der seismischen Masse 3 angeordnet
werden, sofern die Gesamtfläche
deutlich geringer ist, als die Fläche der seismischen Masse 3 und
ein elektrischer Kontakt zum Lager 8 aufrechterhalten wird.
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Die
in der 3 gezeigten Federelemente die jeweils aus mehreren
Teilfederelementen 12 aufgebaut sind, werden jeweils durch
mehrere Verbindungsstege 13 miteinander verbunden. Durch
die Verwendung von mehrfachen Verbindungsstegen 13 wird
eine große
Bruchfestigkeit dieser Verbindungen der einzelnen Teilfederelemente
gewährleistet.
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Jetzt
wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1 und 2 näher erläutert. Dabei
zeigt 1 eine Aufsicht auf den Beschleunigungssensor
gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und 2 einen
Querschnitt durch den Beschleunigungssensor nach 1 entlang
der Linie A-A'.
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In
den 1 und 2 bezeichnen zusätzlich zu
den bereits eingeführten
Bezugszeichen 17 Vorsprünge, 50 Federelemente
der zweiten Biegefedereinrichtung, 51 einen Anschlag in
Form eines verdickten Endes der Federelemente 50, 60 einen
Ver ankerungsbereich des Masseanschlags 6 und 100 eine
Aussparung der seismischen Masse 3.
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Bei
der Ausführungsform
nach 1 ist in der seismischen Masse 3 die
Aussparung 100 vorgesehen, welche sowohl den bekannten
festen Anschlag 6 beherbergt, als auch vier federnd gelagerte Anschläge 51.
Die federnd gelagerten Anschläge 51 sind
einteilig mit dem festen Anschlag 6 ausgebildet, und zwar
in Form von davon ausgehenden Biegefedern 50, welche sich
jeweils paarweise nach links bzw. rechts erstrecken. Der eigentliche
Anschlag ist dabei ein Vorsprung bzw. eine Verdickung am Ende der
jeweiligen Biegefeder 50. Die Biegesteifigkeit der Biegefedern 50 liegt
um Größenordnungen,
nämlich zweckmäßigerweise
um einen Faktor 1 bis 1000, über
der insgesamt wirksamen Biegesteifigkeit aller Teilfederelemente 12 der
ersten Biegefedereinrichtung, mittels derer die seismische Masse
federnd über
dem Substrat 4 aufgehängt
ist.
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Die
vorliegende Anordnung der federnd gelagerten Anschläge 51 ist
insofern vorteilhaft, als daß Überlast-Beschleunigungen
mit unterschiedlichen Vorzeichen beiderseits abgefangen werden können. Die
Vorsprünge 7 an
der seismischen Masse 3 bzw. dem festen Anschlag 6 entsprechen
denen, die aus den 3 und 4 bekannt
sind. Die zusätzlichen Vorsprünge 17,
welche den Verdickungen an den Enden der Biegefedern 50 gegenüberliegen,
sind derart dimensioniert, daß der
Abstand im Bereich der federnd gelagerten Anschläge geringer ist als der Abstand
in dem Bereich der Vorsprünge 7 der
festen Anschläge 6.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
beträgt
das Verhältnis
des Abstandes der federnd gelagerten Anschläge zum Abstand der festen Anschläge 0,6 bzw.
0,8. Im Rahmen der technischen Randbedingungen sind grundsätzlich sämtliche
Werte kleiner 1 möglich.
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Wenn
im Betrieb des derart aufgebauten Beschleunigungssensors eine übermäßige Beschleunigung
in Richtung der X-Achse auftritt, wird die seismische Masse 3 gemäß 1 nach ”oben” ausgelenkt.
Dabei berühren
zunächst
ab einem ersten Auslenkungsbetrag die beiden unteren Vorsprünge 17 die
federnd gelagerten Anschläge 51.
Daraufhin werden die beiden unteren Biegefedern 50 nach
oben ausgelenkt und bauen eine entsprechende Rückstellkraft aus. Bei weiterer
Auslenkung wird ein Auslenkungsbetrag erreicht, an dem die Vorsprünge 7 der seismischen
Masse 3 bzw. des festen Anschlages 6 einander
kontaktieren. An diesem Punkt ist die Bewegung in X-Richtung endgültig gestoppt,
und die in den Biegefedern 50 angesammelte Rückstellkraft
erreicht ihren höchsten
Wert. Dieser Wert der Rückstellkraft ist
entsprechend der größeren Biegesteifigkeit
als derjenigen der ersten Biegefedereinrichtung größer als
der Wert der Rückstellkraft
der ersten Biegefedereinrichtung. Diese Rückstellkraft ist so bemessen, daß ein Haftenbleiben
der Vorsprünge 7 aneinander verhindert
ist. Läßt die Beschleunigung
in X-Richtung nach, so wird die seismische Masse unter der Wirkung
der Biegefedern 50 in negativer X-Richtung beschleunigt,
wodurch zunächst
der Kontakt der Vorsprünge 7 wegfällt. Im
weiteren Verlauf der Bewegung wird die seismische Masse 3 in
negati ver X-Richtung weiter beschleunigt, und schließlich löst sich
auch der Kontakt zwischen den Vorsprüngen 17 und den Anschlägen 51.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht
potentialfreie in Erfassungsrichtung des Beschleunigungssensors
federnd gelagerte mechanische Anschläge 51, welche ein
Haftenbleiben der seismischen Masse an den Anschlägen wirksam
verhindern kann.
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Zum
Herstellungsprozeß sei
erwähnt,
daß die
Anschläge
in der Chipebene bzw. in der Erfassungsrichtung dadurch realisiert
werden, daß man
in den vorgegebenen Bereichen die seismische Masse 3 ausspart
und auf dem vergrabenen polykristallinen Silizium über Fenster
in einer Opferoxidschicht epitaktisch verstärktes Silizium anbringt. Dieses
enthält die
Vorsprünge
bzw. Anschlagshöcker,
die durch die entsprechenden Vorsprünge an der seismischen Masse
ergänzt
werden. Der Abstand der Vorsprünge ist,
wie gesagt, zweckmäßigerweise
kleiner als der Abstand der Elektroden bzw. der Biegebalkenelemente.
Typischerweise liegt der Abstand bei 1/2 bis 3/4 des Elektrodenabstandes.
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3 zeigt
eine Aufsicht auf einen Beschleunigungssensor gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird die federnde Wirkung der zweiten Biegefedereinrichtung, welche
hier mit 50' bezeich net
ist, dadurch unterstützt, daß der Anschlag 61,
welcher sich an deren Ende befindet, weiter weg von der Mittelachse
der seismischen Masse 3 verschoben ist, also quer zur Detektionsrichtung
im Bereich der beweglichen Elektroden 10' verbreitert.
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Die
Anschlagseinrichtung weist wie bei der ersten Ausführungsform
den fest auf dem Substrat 4 in einer Aussparung 100 in
der seismischen Masse 3 gelagerten Anschlag 6 auf.
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Von
diesem Anschlag 6 ausgehend erstreckt sich die zweite Biegefedereinrichtung 50' in eine Aussparung 15 einer
seitlich an der seismischen Masse 3 angebrachten beweglichen
Elektrode 10'.
Der federnd gelagerte Anschlag 61 ist am Ende der zweiten Biegefedereinrichtung 50' vorgesehen
und wirkt mit in der Aussparung 15 vorgesehenen Vorsprüngen 27 zusammen.
Ansonsten sind Funktion und Aufbau gleich wie bei der obigen ersten
Ausführungsform.
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Durch
die Ausgestaltung gemäß dieser
weiteren Ausführungsform
existieren zur Auslegung der zweiten Biegefedereinrichtung 50' keine durch
die Breite der seismischen Masse 3 vorgegebenen Randbedingungen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar.
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In
den obigen Beispielen ist der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor in
einfachen Formen zur Erläuterung
seiner Grundprinzipien erläutert worden.
Kombinationen der Beispiele und wesentlich kompliziertere Ausgestaltungen
unter Verwendung derselben Grundprinzipien sind selbstverständlich denkbar.
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Obwohl
bei der gezeigten Ausführungsform die
federnd gelagerten Anschläge
nur an zwei Seiten des festen Anschlages vorgesehen waren, sind selbstverständlich kompliziertere
Anordnungen, z. B. mit federnd gelagerten Anschlägen auf allen Seiten des festen
Anschlages, vorstellbar.
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Weiterhin
müssen
die federnd gelagerten Anschläge
nicht über
den festen Anschlag mit dem Substrat 4 verbunden sein,
sondern es ist ebenfalls möglich,
dafür separate
Verankerungen vorzusehen. Auch kann unter Umständen der feste Anschlag ganz weggelassen
werden.
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Es
können
auch beliebige mikromechanische Grundmaterialien verwendet werden,
und nicht nur das exemplarisch angeführte Siliziumsubstrat.