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Die
Erfindung betrifft einen Schwingungssensor sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines derartigen Schwingungssensors.
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Ein
derartiger Schwingungssensor kommt beispielsweise in der Automatisierungs-
und Antriebstechnik zum Einsatz. Die Erfindung kann hier z.B. zur
Zustandsüberwachung
verschleißbehafteter Komponenten
eingesetzt werden. Darüber
hinaus kann die Erfindung zur Überwachung
von Fertigungsprozessen genutzt werden, die durch eine schwingende
Umgebung gestört
werden können.
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Produktionsausfälle durch
unerwartete Maschinendefekte können
je nach Branche und Art des Prozesses direkte Schäden und
Folgeschäden
in erheblicher Höhe
verursachen. Um die Zuverlässigkeit von
Produktions- und Werkzeugmaschinen, verfahrenstechnischer Anlagen,
Transportsystemen und ähnlichem
zu erhöhen
und somit Ausfallzeiten dieser Produktionsmittel zu reduzieren,
wird daher einer frühzeitigen
Verschleiß-
und Defekterkennung immer mehr Bedeutung beigemessen.
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Beispielsweise
bei elektrischen Maschinen kündigt
sich ein Ausfall des Produktionsmittel oder einer seiner Komponenten
(z.B. der Lager) häufig durch
eine Veränderung
des Schwingungsverhaltens an. Durch eine Vibrationsanalyse können diese
Veränderungen
detektiert werden. Auf diese Art und Weise können betroffene Komponenten
vorzeitig ausgetauscht werden, bevor es zum Ausfall des Gesamtsystems
und somit zu einem längeren
Produktionsstillstand kommt.
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In
der Schwingungs- bzw. Vibrationsanalyse wird im Allgemeinen der
Frequenzbereich bis 10 kHz spektral ausgewertet. Üblicher
Weise wird das Zeitsignal mit Hilfe eines breitbandigen Sensors
erfasst und mittels einer nachfolgenden Fourier- Analyse ausgewertet. Zum Teil kommen
hier auch frequenzselektive Sensoren zum Einsatz, die direkt eine
spektrale Filterung eines schmalen Frequenzbandes vornehmen.
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Aus
der
US 6,412,131 B1 ist
ein mikrosystemtechnisch hergestelltes System bekannt, welches mechanische
Sensoren zur Messung von Eingangssignalen wie z.B. Vibrationen aufweist.
Ein solches MEMS-basiertes System kann als Einzelchipsystem ausgeführt werden.
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Beispielsweise
zur Lagerüberwachung,
zur Detektion von Leckage, Kavitation, Glasbruch oder elektrischer
Entladung ist darüber
hinaus eine Messung kurzer stoßartiger
Anregungen von Interesse, die ein breitbandiges Frequenzspektrum
besitzen. Derartige Anregungen werden auch mit dem Stichwort „acoustic
emission" bezeichnet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine möglichst einfache und kostengünstige Messung
stoßförmiger Anregungen
zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird durch einen Schwingungssensor mit mindestens einer
ersten mikromechanisch gefertigten schwingfähigen Struktur gelöst, die durch
eine stoßförmige Anregung
anregbar ist und eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist.
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Ferner
wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Schwingungssensors
gelöst, bei
dem mindestens eine erste schwingfähige Struktur, die durch eine
stoßförmige Anregung
anregbar ist und eine erste Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich
aufweist, mikromechanisch gefertigt wird.
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Die
Mikromechanik bezeichnet einen Bereich der Mikrotechnik, der sich
mit mechanischen Strukturen im Mikrometerbereich befasst. Bei der
mikromechanischen Fertigung werden häufig aus der Halbleiterprozesstechnik,
insbesondere der Mikrochipfertigung, bekannte Verfahren eingesetzt.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass stoßförmige Anregungen,
die ein breitbandiges Frequenzspektrum erzeugen, besonders gut im
Ultraschallbereich zu detektieren sind. Unter Ultraschallbereich
wird hier sowie im gesamten Dokument der Frequenzbereich zwischen
20 und 200 kHz verstanden. Der Vorteil einer Detektion stoßförmiger Anregungen
durch eine Messung im Ultraschallbereich besteht darin, dass ein
störendes
Hintergrundrauschen im Spektrum der Anregung bei derartig hohen Frequenzen
bereits abgeklungen ist. Derartige Störsignale entstehen beispielsweise
durch Strukturresonanzen des Messobjektes. Bei einer Messung im
Ultraschallbereich werden somit ausschließlich die interessierenden
Signale detektiert, anhand derer eine Zustandsüberwachung verschleißbehafteter
Komponenten durchgeführt
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird ein
derartiger Schwingungssensor für
den Ultraschallbereich mikromechanisch gefertigt. Mikromechanisch
gefertigte Schwingungssensoren haben z.B. gegenüber piezoelektrischen Sensoren
den Vorteil, dass die geometrischen Parameter der entsprechenden
schwingfähigen
Strukturen beispielsweise durch Bearbeitungsmethoden wie der Lithographie
mit sehr geringen Toleranzen realisiert werden können. Durch die Möglichkeit,
diese Parameter in sehr engen Toleranzen festzulegen, kann auch
die Resonanzfrequenz und die Bandbreite einer derartigen schwingfähigen Struktur äußerst exakt
dimensioniert werden. Hierdurch können die mikromechanischen
Sensoren folglich auch sehr leicht an eine konkrete Applikation angepasst
werden.
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Die
Größe mikromechanisch
gefertigter Schwingstrukturen ist wesentlich geringer als die Größe üblicher
piezoelektrischer Sensoren. Damit wird ein hohes Maß an Integration
möglich,
wenn mehrere Schwingstrukturen auf einen Schwingungssensor integriert
werden sollen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schwingungssensor
zur Messung von Körperschall
vorgesehen. Unter Körperschall
wird Schall verstanden, der sich in einem festen Körper ausbreitet.
Beispiele für
einen derartigen Körper
sind z.B. im Bereich der Automatisierungs- und Antriebstechnik elektrische
Maschinen bzw. deren Lager, die durch selbst- oder fremderegte Stöße eine
Schallwelle auslösen.
Eine derartige Schallwelle ist erst dann akustisch wahrnehmbar,
wenn sie den entsprechenden Festkörper verlässt.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die erste schwingfähige Struktur
aus einem Wafer aus halbleitendem Material gefertigt. In der Halbleiterindustrie
existiert eine Vielzahl technologischer Prozesse, die eine exakte
Herstellung kleinster schwingfähiger
Strukturen erlauben. Als Wafermaterial bietet sich hierbei aus Kostengründen Silizium
an. Jedoch ist auch die Verwendung eines Substratmaterials aus Galiummarsenit
oder Siliziumkarbid etc. denkbar. Silizium zeichnet sich neben der
vergleichsweise günstigen
Materialkosten auch durch seine sehr einfache Prozessierbarkeit
aus. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist daher die
erste schwingfähige
Struktur mittels Siliziumbulkmechanik und/oder Siliziumoberflächenmikromechanik
gefertigt. Bei der Siliziumbulkmechanik werden aus einem Siliziumwafer
durch beidseitiges Ätzen
freistehende mechanische Strukturen gewonnen. Die Siliziumoberflächenmikromechanik
zeichnet aus, dass die Waferoberfläche durch mehrere Ätz- und
Abscheidungsvorgänge
mechanisch strukturiert wird.
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Bei
derartigen Verfahren lassen sich auch mikromechanische Strukturen
zusammen mit elektrischen Schaltungen auf einen einzigen Mikrochip
vereinigen. Beispielsweise kann zweckmäßigerweise hier die schwingfähige Struktur
zusammen mit einer Elektronik auf einem Chip implementiert werden,
wobei die Elektronik zur Auswertung der Messergebnisse vorgesehen
ist. Durch eine derartige Integration lassen sich Fertigungskosten reduzieren
und Lösungen
realisieren, bei denen auf Grund der extrem geringen Trennung elektrischer
und mechanischer Komponenten parasitäre Effekte bei der Messung bzw.
deren Auswertung nahezu vernachlässigt
werden können.
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Je
nach Richtung des abgestrahlten Schalls kann es vorteilhaft sein,
in einer zweckmäßigen Ausführung der
Erfindung die erste schwingfähige
Struktur senkrecht zur Waferebene schwingfähig auszuführen. Alternativ kann es in
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig sein,
die erste schwingfähige
Struktur parallel zur Waferebene schwingfähig zu gestalten. Insbesondere
mit Hilfe der Siliziumbulkmechanik und/oder Siliziumoberflächenmikromechanik
ist die Schwingungsrichtung der ersten schwingfähigen Struktur mit sehr vielen
Freiheitsgraden wählbar.
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Eine
sehr einfache Detektion stoßförmiger Anregungen
kann erzielt werden, wenn bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung der Schwingungssensor Mittel zur Bestimmung der stoßförmigen Anregung
auf Basis einer Messung der elektrischen Kapazität der ersten schwingfähigen Struktur in
einem angeregten Zustand aufweist. Die erste schwingfähige Struktur
lässt sich
derart ausgestalten, dass sie einen Kondensator bildet, dessen Kapazität abhängig von
der Auslenkung der Struktur ist. Der Zusammenhang zwischen der Kapazität der schwingfähigen Struktur
und dessen Auslenkung lässt
sich über
die Geometrie der Struktur einstellen. Aus einer Messung der Kapazität der ersten
schwingfähigen
Struktur kann auf diese Art und Weise die Auslenkung der schwingfähigen Struktur
bestimmt werden, um so wiederum Rückschlüsse auf die stoßförmige Anregung
zu ziehen. Eine entsprechende Elektronik, die eine derartige Auswertung
leistet, lässt
sich insbesondere bei einer mikromechanischen Implementierung des
Schwingungssensors auf einem Halbleiterchip sehr gut integrieren.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor
mindestens eine zweite mikromechanisch gefertigte schwingungsfähige Struktur mit
einer zweiten Resonanzfrequenz im Ultraschallbereich aufweist. Unterscheidet
sich die erste Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz, so
stehen für
eine spätere
Auswertung zwei Messfrequenzen im Ultraschallbereich zur Verfügung.
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Hierbei
ist es auch möglich,
dass in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung die erste schwingfähige Struktur
einen ersten Messbereich aufweist, der sich mit einem zweiten Messbereich
der zweiten schwingfähigen
Struktur teilweise überlappt. Die Überlappung
kann z.B. durch entsprechende Wahl der Güte der schwingfähigen Strukturen
eingestellt werden. Besitzen erste und zweite schwingfähige Struktur
eine relativ niedrige Güte,
so kann eine Überlappung
der Messbereiche auch dann erreicht werden, wenn erste und zweite
Resonanzfrequenz relativ weit auseinander liegen. Auf diese Art
und Weise ist es möglich,
ein relativ großes
Frequenzspektrum im Ultraschallbereich mit zwei schwingfähigen Strukturen
abzudecken. Selbstverständlich
ist auch denkbar und von der Erfindung umfasst, dass mehr als zwei
schwingfähige
Strukturen mit mehr als zwei Resonanzfrequenzen zur Messung stoßförmiger Anregung
auf dem Schwingungssensor implementiert werden. So kann ein ganzes
Array mikromechanisch gefertigter schwingfähiger Strukturen auf nur einen
einzigen Chip implementiert werden, um so ein möglichst großes Frequenzspektrum für die nachfolgende
Auswertung zur Verfügung
zu haben.
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Durch
weitere Ausgestaltung der Erfindung ist es sogar möglich, mit
einem Schwingungssensor Schwingungsrichtungen in allen drei Raumdimensionen
detektieren zu können.
Bei einer derartigen vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung
weist der Schwingungssensor eine dritte schwingfähige Struktur auf, deren Schwingungsrichtung
im Wesentlichen orthogonal sowohl zu der Schwingungsrichtung der
ersten als auch zu der Schwingungsrichtung der zweiten Struktur
ist. Hierdurch wird durch die Schwingungsrichtungen der ersten,
zweiten und drit ten schwingfähigen
Struktur ein kompletter dreidimensionaler Vektorraum aufgespannt.
Dies ermöglicht
die Detektion von stoßförmigen Anregungen
aus allen drei Raumdimensionen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Schwingungssensor mit einer ersten, senkrecht zur Waferebene schwingfähigen Struktur,
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2 einen
Schwingungssensor mit einer zweiten, parallel zur Waferebene schwingfähigen Struktur,
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3 eine
schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem Array
schwingfähigen
Strukturen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen,
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4 einen
Frequenzgang des Schwingungssensors mit dem Array schwingfähiger Strukturen
mit verschiedenen Resonanzfrequenzen,
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5 eine
schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem Array
verschiedener Strukturen mit verschiedenen Schwingungsrichtungen
und
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6 ein
Layout eines mikromechanisch gefertigten Schwingungssensors.
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1 zeigt
einen Schwingungssensor mit einer ersten, senkrecht zur Waferebene
schwingfähigen
Struktur. Mittels in der Halbleitertechnik üblicher Lithographie und Ätzschritte
ist aus einem ersten Wafer eine seismische Masse 1 produziert
worden, die durch Federelemente 2 beweglich gelagert ist.
Dieser erste Wafer 3 ist mit Hilfe von Silicon Fusion Bonding
mit einem zweiten Wafer 4 verbunden worden. Das Silicon
Fusi on Bonding ermöglicht
es, den ersten Wafer 3 und den zweiten Wafer 4 zunächst separat zu
produzieren und anschließend
miteinander zu Bonden, so dass eine feste Bondverbindung 5 zwischen
den beiden Halbleiterwafern 3, 4 entsteht. Der zweite
Wafer 4 ist z.B. über
eine Lötverbindung
auf einen Schaltungsträger 6 montiert.
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Die
Vorzugsrichtung der dargestellten schwingfähigen Struktur liegt in diesem
Fall senkrecht zur Waferebene. Man spricht hierbei auch von einer
Out-of-Plane Anordnung. Bei einer Anregung senkrecht zur Waferebene
wird die seismische Masse 1 relativ zu dem zweiten Wafer 4 bewegt.
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Die
auf dem ersten und zweiten Wafer 3, 4 gefertigten
Teilstrukturen bilden eine elektrische Kapazität, deren Wert abhängig von
der Auslenkung der seismischen Masse 3 gegenüber dem
zweiten Wafer 4 ist. Diese Kapazitätsänderung kann z.B. dadurch gemessen
werden, dass erster und zweiter Wafer 3, 4 metallisierte
Kontakte 7 aufweisen, die über Bonddrähte 8 mit dem Schaltungsträger 6 kontaktiert
werden. Auf dem Schaltungsträger 6 befindet
sich schließlich
eine Verstärkerschaltung,
mit der die durch die dynamischen Kapazitätsänderungen erzeugten Umladeströme verstärkt werden
können. Weiterhin
ist auf dem Schaltungsträger 6 eine
Auswerteschaltung vorgesehen, mit der die stoßförmigen Anregungen, die den
dargestellten Schwingungssensor zum Schwingen anregen, auf Basis
der gemessenen Umladeströme
bestimmt werden können.
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Der
Messbereich des dargestellten Schwingungssensors liegt im Ultraschallbereich.
Um dies zu gewährleisten,
ist die Resonanzfrequenz der schwingungsfähigen Struktur auf den Ultraschallbereich
dimensioniert worden. Eine Dimensionierung der Resonanzfrequenz
kann beispielsweise durch entsprechende Gestaltung des Federelementes 2 und
durch Wahl der seismischen Masse 1 erreicht werden. Je schwerer
die seismische Masse 1 ist, desto niedriger ist die Resonanzfrequenz
der schwingfähigen
Struktur.
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2 zeigt
einen Schwingungssensor mit einer zweiten parallel zur Waferebene
schwingfähigen Struktur.
Der dargestellte Schwingungssensor ist ebenfalls aus zwei Siliziumwafern
mit Hilfe der Siliziumbulkmechanik bzw. der Siliziumoberflächenmmikromechanik
gefertigt worden und dient der Bestimmung stoßförmiger Anregungen im Ultraschallbereich.
Hierzu ist zunächst
in einem ersten Wafer 3 eine Grube 9 geätzt worden.
Anschließend
wurde ein zweiter Wafer 4 durch Silicon Fusion Bonding
auf den ersten Wafer 3 aufgebondet und auf die gewünschte Strukturhöhe abgedünnt. Im
darauf folgenden Prozessschritt wurde der zweite Wafer 4 mittels
Trockenätzen
(DRIE) partiell komplett durchgeätzt,
so dass oberhalb der Grube 9 eine frei bewegliche seismische
Masse 1 entsteht. Die Vorzugsrichtung für die Schwingung einer derartigen
schwingfähigen
Struktur ist parallel zur Waferebene. Eine solche Anordnung wird
auch als In-Plane Anordnung bezeichnet.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem
Array schwingfähiger
Strukturen 11 ... 18 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen,
wobei sämtliche
Resonanzfrequenzen im Ultraschallbereich liegen. U.a. sind die jeweiligen
seismischen Massen 1 der einzelnen schwingfähigen Strukturen 11 ... 18 des
Arrays schematisch dargestellt. Sämtliche schwingfähige Strukturen 11 ... 18 sind
auf einem einzelnen Siliziumchip realisiert. Durch die Wahl der
seismischen Massen 1 kann die Resonanzfrequenz jeder einzelnen
schwingfähigen
Struktur eingestellt werden. Hierbei weist eine erste schwingfähige Struktur 11 die größte seismische
Masse 1 auf und hat somit die niedrigste Resonanzfrequenz.
Insgesamt weist die Struktur acht seismische Massen 1 auf,
wobei die seismischen Massen von der ersten schwingfähigen Struktur 11 über eine
zweite und dritte schwingfähige Struktur 12, 13 bis
hin zu einer achten schwingfähigen
Struktur 18 kontinuierlich abnehmen. Größere seismische Massen 1 sind
hierbei durch größere Rechtecke,
kleinere seismische Massen 1 durch kleinere Rechtecke dargestellt.
Die Resonanzfrequenzen der einzelnen schwingfähigen Strukturen 11 ... 18 des
Arrays sind gestuft angeordnet, um einen kompletten Frequenzbereich
im Ultraschallbereich abdecken zu können. Beispielsweise decken
die dargestellten acht schwingfähigen
Strukturen 11 ... 18 des Arrays einen Frequenzbereich
zwischen 30 und 100 kHz ab, wobei sich die einzelnen Resonanzfrequenzen
um jeweils 10 kHz voneinander unterscheiden.
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4 zeigt
den Frequenzgang des Schwingungssensors mit dem Array schwingfähiger Strukturen 11 ... 18 mit
verschiedenen Resonanzfrequenzen, der in 3 dargestellt
ist. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die Güte
dieser einzelnen schwingfähigen
Strukturen des Arrays derart gewählt
worden, dass sich ihre jeweiligen Frequenzbereiche überlappen.
Auf diese Art und Weise kann ein Frequenzfenster im Ultraschallbereich
nahezu kontinuierlich erfasst werden.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines Schwingungssensors mit einem
Array schwingfähiger
Strukturen mit verschiedenen Schwingungsrichtungen. Beispielhaft
sind hier nur zwei schwingfähige
Strukturen aufgezeigt, wobei die Vorzugsrichtungen der beiden schwingfähigen Strukturen
orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Mit einer derartigen Anordnung
lassen sich stoßförmige Anregungen
detektieren, wobei eine Auflösung
bezüglich
zweier Raumdimensionen erzielt werden kann. Um schließlich auch
die dritte Raumdimension abbilden zu können, ließe sich das hier dargestellte Schwingungsmesssystem
durch eine weitere schwingfähige
Struktur ergänzen,
deren Vorzugsrichtung orthogonal zu der Schwingungsrichtung beider hier
dargestellten schwingungsfähigen
Strukturen ausgerichtet ist.
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6 zeigt
ein Layout eines mikromechanisch gefertigten Schwingungssensors.
Es handelt sich hierbei um einen In-Plane-Schwinger, d.h. die Vorzugsrichtung
der schwingfähigen
Strukturen ist parallel zur Waferebene ausgerichtet. In diesem Fall umfasst
der Schwingungssensor eine kammartig ausge führte seismische Masse 1,
die an zwei Seiten zumindest teilweise in ebenfalls kammartig ausgeführte Messelektronen 10 eingreift.
Die seismische Masse 1 ist an vier Federelementen 2 aufgehängt. Die
Resonanzfrequenz des dargestellten Schwingungssensors im Ultraschallbereich
wird über
die Länge
der Federelemente 2 und das Gewicht der seismischen Masse 1 eingestellt.
Auch hier erfolgt die Signalgewinnung durch Auswertung der Kapazitätsänderung
zwischen der seismischen Masse 1 und den Messelektronen.
Die Abmessung einer solchen schwingfähigen Struktur liegt bei etwa
500 × 500
Mikrometer.