DE10307274A1

DE10307274A1 - Kapazitiver Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE10307274A1
Application number: DE10307274A
Authority: DE
Inventors: Minoru Murata; Minekazu Sakai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2003-02-20
Publication date: 2003-09-04
Also published as: JP2003248016A; US6792805B2; US20030164043A1

Abstract

Ein kapazitiver Beschleunigungssensor beinhaltet ein Trägersubstrat (11), ein bewegliches Teil (20) und zwei feststehende Teile (30, 40). Das bewegliche Teil (20) bewegt sich als Reaktion auf eine Kraft, die auf das bewegliche Teil (20) wirkt. Jedes feststehende Teil (30, 40) ist unter der Kraft feststehend. Zwei Kapazitäten sind zwischen dem beweglichen Teil (20) und den feststehenden Teilen (30, 40) ausgebildet. Eine der Kapazitäten erhöht sich, während sich die andere verringert, wenn sich das bewegliche Teil (20) als Reaktion auf die Kraft bewegt. Die Kraft beinhaltet eine im wesentlichen konstante Kraft und eine veränderbare Kraft, wenn eine Beschleunigung unter Verwendung des Sensors gemessen wird. Die veränderbare Kraft ist proportional zu der Beschleunigung. Die Beschleunigung wird auf der Grundlage der Differenz zwischen den Kapazitäten gemessen. Die Kapazitäten sind zueinander unterschiedlich, wenn die Kraft, die auf das bewegliche Teil (20) wirkt, null ist, um die Differenz zwischen den Kapazitäten zu verringern, die der im wesentlichen konstanten Kraft entpricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Beschleunigungssensor, der eine Beschleunigung unter Verwendung von zwei Kapazitäten mißt, die sich als Reaktion auf die Beschleunigung gegenläufig erhöhen oder verringern.

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht eines vorgeschlagenen, kapazitiven Beschleunigungssensors dieses Typs. Der Sensor in Fig. 6 beinhaltet ein Trägersubstrat 11, welches in Fig. 6 nicht dargestellt ist, feststehende Teile 30, 40 und ein bewegliches Teil 20. Die feststehenden Teile 30, 40 sind über einer Oberfläche des Trägersubstrats 11 angeordnet. Die feststehenden Teile 30, 40 werden derart von dem Trägersubstrat 11 getragen, daß sie bezüglich des Trägersubstrats 11 feststehend sind. Das bewegliche Teil 20 ist ebenso über der Oberfläche angeordnet. Das bewegliche Teil 20 wird derart von dem Trägersubstrat 11 getragen, daß es bezüglich des Trägersubstrats 11 beweglich ist. Die feststehenden und beweglichen Teile 20, 30, 40 sind aus einer Halbleiterschicht ausgebildet, welche durch derartiges Ätzen der Halbleiterschicht, daß ein Graben ausgebildet wird, auf dem Trägersubstrat 11 ausgebildet worden sind.

Das bewegliche Teil 20 beinhaltet ein Gewicht 21, welches mechanisch und elektrisch mit Federteilen 22 verbunden ist. Das bewegliche Teil 20 kann sich als Reaktion auf eine Beschleunigung des Sensors mit der federartigen Wirkung der Federteile 22 entlang Richtungen Y in Fig. 6 bewegen, welche parallel zu der Oberfläche des Trägersubstrats 11 sind. Das bewegliche Teil 20 beinhaltet ebenso kammförmige Elektroden 24. Die kammförmigen Elektroden 24sind jeweils an linken bzw. rechten Enden des Gewichts 21 in Fig. 6 angeordnet. Jede kammförmige Elektrode 24 beinhaltet vier bewegliche Elektrodenausleger, welche im wesentlichen gerade sind. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, sind die kammförmigen Elektroden 24 bezüglich des Gewichts 21 im wesentlichen symmetrisch.

Andererseits beinhaltet jedes feststehende Teil 30, 40 eine kammförmige feststehende Elektrode 32, 42, welche mit jeder entsprechenden beweglichen Elektrode 24 verschachtelt sind, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Jede feststehende Elektrode 32, 42 beinhaltet vier Elektrodenausleger, welche im wesentlichen gerade sind. Wie es in Fig. 6 gezeigt ist, gibt es einen linken Zwischenraum d1' zwischen der linken beweglichen Elektrode 24 und der linken feststehenden Elektrode 32, genauer gesagt zwischen jedem linken beweglichen Elektrodenausleger und dem entsprechenden linken, feststehenden Elektrodenausleger, und ist eine linke Kapazität CS1 zwischen der linken beweglichen Elektrode 24 und der linken feststehenden Elektrode 32 ausgebildet. Andererseits gibt es einen rechten Zwischenraum d2' zwischen der rechten beweglichen Elektrode 24 und der rechten feststehenden Elektrode 42, genauer gesagt zwischen jedem rechten beweglichen Elektrodenausleger 24 und dem entsprechenden rechten, feststehenden Elektrodenausleger 42, und ist eine rechte Kapazität CS2 zwischen der rechten beweglichen Elektrode 24 und der rechten feststehenden Elektrode 42 ausgebildet.

Die beweglichen Elektroden 24 bewegen sich als Reaktion auf eine Kraft, die entlang den Richtungen Y auf das bewegliche Teil 20 wirkt, mit dem Gewicht 21 entlang den Richtungen Y. In dem vorgeschlagenen Sensor sind sowohl der linke und rechte Zwischenraum d1', d2' als auch die linken und rechten Kapazitäten CS1, CS2 im wesentlichen gleich zueinander, wenn die Kraft null ist. Weiterhin ändern sich die Kapazitäten CS1, CS2, wenn sich die beweglichen Elektroden 24 bewegen, auf eine derartige Weise, daß sich eine der Kapazitäten CS1, CS2 erhöht, während sich die andere verringert. Weiterhin kann die Kraft zu einer Beschleunigung des Sensors in Beziehung gesetzt werden. Deshalb kann die Beschleunigung auf der Grundlage der Differenz (CS1 - CS2) zwischen den Kapazitäten CS1, CS2 gemessen werden.

Der vorgeschlagene, kapazitive Beschleunigungssensor wird zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug verwendet, in welches der Sensor derart eingebaut ist, daß die Oberfläche des Trägersubstrats 11 im wesentlichen horizontal zum Boden ist. Deshalb ist die Kraft, die entlang den Richtungen Y auf das bewegliche Teil 20 wirkt, direkt proportional zu der Beschleunigung des Kraftfahrzeugs. Es gibt heute jedoch einen Bedarf, einen kapazitiven Beschleunigungssensor zum Messen einer Beschleunigung in den vertikalen Richtungen zum Erdboden zu verwenden. Wenn der vorgeschlagene, kapazitive Beschleunigungssensor für eine derartige Anwendung verwendet wird, muß der vorgeschlagene Sensor derart an einem Objekt, dessen Beschleunigung zu messen ist, angebracht werden, daß die Oberfläche des Trägersubstrats 11 ungefähr vertikal zum Boden ist.

In diesem Fall beinhaltet die Kraft zusätzlich zu einer veränderbaren Kraft, welche proportional zu der Beschleunigung ist, eine im wesentlichen konstante Kraft, welche durch die Schwerkraft bewirkt wird. Deshalb gibt es aufgrund der Schwerkraft eine konstante Lageänderung der beweglichen Elektroden 24 entlang den Richtungen Y. Zum Beispiel erhöht sich der linke Zwischenraum d1' und verringert sich die linke Kapazität CS1, wenn der Sensor in Fig. 6 derart eingebaut ist, daß die Richtungen Y vertikal zum Boden werden, während sich die Unterseite des Trägersubstrats 11 in Fig. 6, auf welcher Elektrodenanschlußflächen 25a, 31a, 41a angeordnet sind, weiter als seine Oberseite vom Boden entfernt. Gleichzeitig verringert sich der rechte Zwischenraum d2' und erhöht sich die Kapazität CS2.

Als Ergebnis ist, wenn eine Beschleunigung, die vertikal zum Boden ist, gemessen wird, die Kapazitätsdifferenz, die der Schwerkraft entspricht, zusätzlich zu der Kapazitätsdifferenz, die der Beschleunigung entspricht, in dem Ausgangssignal des Sensors enthalten. Wenn die Amplituden der Beschleunigung und der Schwerkraft vergleichbar sind, ist die Fehlerspanne in Meßergebnissen nicht vernachlässigbar. Weiterhin kann das Ausgangssignal bezüglich Fehlern anfällig sein oder würde gesättigt werden, wenn die Kapazitätsdifferenz, die der Schwerkraft entspricht, außerhalb des Erfassungsbereichs des vorgeschlagenen Sensors ist.

Der vorgeschlagene Sensor würde bezüglich dem gleichen Problem anfällig sein, solange der vorgeschlagene Sensor unter einer konstanten Kraft, wie zum Beispiel der Schwerkraft, entlang den Richtungen Y oder den Bewegungsrichtungen des beweglichen Teils 20 ist, wenn er verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf die vorhergehenden Aspekte mit einer derartigen Aufgabe geschaffen worden, sich mit dem zuvor beschriebenen Sachverhalt bezüglich des vorgeschlagenen, kapazitiven Beschleunigungssensors zu befassen.

Ein kapazitiver Beschleunigungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Trägersubstrat, ein bewegliches Teil und zwei feststehende Teile. Das bewegliche Teil ist über einer Oberfläche des Trägersubstrats angeordnet und wird derart von dem Trägersubstrat getragen, daß es sich bezüglich des Trägersubstrats als Reaktion auf eine Kraft, die entlang vorbestimmten Richtungen auf das bewegliche Teil wirkt, entlang den vorbestimmten Richtungen parallel zu der Oberfläche bewegt. Jedes feststehende Teil ist über der Oberfläche angeordnet und wird derart von dem Trägersubstrat getragen, daß es bezüglich des Trägersubstrats unter Kraft feststehend ist.

Zwei Kapazitäten sind zwischen dem beweglichen Teil und den feststehenden Teilen ausgebildet. Eine der Kapazitäten erhöht sich, während sich die andere verringert, wenn sich das bewegliche Teil als Reaktion auf die Kraft bewegt. Die Kraft beinhaltet eine im wesentlichen konstante Kraft und eine veränderbare Kraft, wenn eine Beschleunigung unter Verwendung des Sensors gemessen wird. Die veränderbare Kraft ist proportional zu der Beschleunigung. Die Beschleunigung wird auf der Grundlage einer Größendifferenz zwischen den Kapazitäten gemessen. Die Kapazitäten weisen eine zueinander unterschiedliche Größe auf, wenn die Kraft, die auf das veränderbare Teil wirkt, null ist, um eine Größendifferenz zwischen den Kapazitäten zu verringern, die der im wesentlichen konstanten Kraft entspricht.

Als Ergebnis ist es möglich, die Größendifferenz zwischen den Kapazitäten, die der im wesentlichen konstanten Kraft entspricht, im wesentlichen auf null zu verringern. Deshalb ist der kapazitive Beschleunigungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung imstande, auch dann zweckmäßig eine Beschleunigung zu messen, wenn das bewegliche Teil entlang den vorbestimmten Richtungen oder den Bewegungsrichtungen des beweglichen Teils unter einer konstanten Kraft ist, wenn er verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Halbleiterbeschleunigungssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine entlang der Linie II-II in Fig. 1 genommene Querschnittsansicht des Sensors in Fig. 1;
Fig. 3 den entlang der Linie III-III in Fig. 1 genommenen Querschnitt des Sensors in Fig. 1 in dem Zustand, in dem der Sensor an einem ECU-Gehäuse angebracht ist und in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist;
Fig. 4 einen Stromlaufplan für eine Erfassungsschaltung für den Sensor in Fig. 1;
Fig. 5 eine Draufsicht eines Halbleiterbeschleunigungssensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 6 eine Draufsicht eines vorgeschlagenen, kapazitiven Beschleunigungssensors.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben.
Ein Halbleiterbeschleunigungssensor S1 in Fig. 1 kann zum Beispiel an einem Kraftfahrzeug angebracht sein und zum Messen einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs entlang den Richtungen verwendet werden, die vertikal zum Boden sind. Der Sensor S1 ist zum Beispiel durch Mikro- Materialbearbeitung eines Halbleitersubstrats unter Verwendung eines bekannten Mikro-Materialbearbeitungsverfahrens ausgebildet. Wie es in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, beinhaltet der Sensor S1 ein rechteckiges Silizium- auf-Isolator- bzw. SOI-Substrat 10. Das SOI-Substrat 10 beinhaltet ein Siliziumträgersubstrat 11, eine aktive Siliziumschicht 12 und eine Siliziumoxid-Isolationsschicht 13. Die Isolationsschicht 13 ist zwischen dem Trägersubstrat 11 und der aktiven Schicht 12 angeordnet.
Die aktive Schicht 12 beinhaltet ein bewegliches Teil 20 und feststehende Teile 30, 40, welche durch einen Graben 14 voneinander getrennt sind. Wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, weist die Isolationsschicht 13 eine rechteckige Öffnung 15 unter dem beweglichen Teil 20 auf. Die vorhergehende Struktur des Sensors S1 kann zum Beispiel wie folgt erzielt werden. Zuerst wird eine Siliziumschicht, aus welcher die aktive Schicht 12 auszubilden ist, ausgenommen der Fläche, in der der Graben 14 auszubilden ist, unter Verwendung von Photolithographie maskiert. Dann wird die Siliziumschicht unter Verwendung eines Gases, wie zum Beispiel CF₄ oder SF₆, trocken geätzt, um den Graben 14 auszubilden. Als nächstes wird eine Siliziumoxidschicht, aus welcher die Isolationsschicht 13 auszubilden ist, unter Verwendung von zum Beispiel Fluorwasserstoffsäure teilweise durch den Graben 14 geätzt, um die Öffnung 15 auszubilden.
Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, beinhaltet das bewegliche Teil 20, welches sich über die Öffnung 15 erstreckt, ein rechteckiges Gewicht 21. Federteile 22 sind an oberen und unteren Enden des Gewichts 21 angeordnet, um das Gewicht 21 mit Verankerungen 23a, 23b zu verbinden. Die Verankerungen 23a, 23b sind an einem rahmenähnlichen Abschnitt der Isolationsschicht 13 befestigt, welcher die Öffnung 15 definiert, um von dem Trägersubstrat 11 getragen zu werden.
Jedes der Federteile 22 beinhaltet zwei im wesentlichen parallele Ausleger. Die zwei Ausleger von jedem Federteil 22 sind an beiden Enden in der Längsrichtung der zwei Ausleger miteinander verbunden, um eine rahmenähnliche Feder auszubilden, die sich rechtwinklig zu den Längsrichtungen ausdehnt und zusammenzieht. Genauer gesagt lassen die Federteile 22 zu, daß sich das bewegliche Teil 20 als Reaktion auf eine Kraft, die entlang den Richtungen Y auf das bewegliche Teil 20 wirkt, bezüglich des Trägersubstrats 11 entlang den Richtungen Y in Fig. 1 bewegt. Deshalb bewegt sich das bewegliche Teil 20 entlang den vorbestimmten Richtungen Y, wenn das bewegliche Teil 20 entlang den Richtungen Y beschleunigt wird, und bewegt sich zurück zu der ursprünglichen Lage, wenn die Beschleunigung null wird.
Das bewegliche Teil 20 beinhaltet ebenso zwei kammförmige, bewegliche Elektroden 24. Die beweglichen Elektroden 24 sind an linken bzw. rechten Enden des Gewichts 21 in Fig. 1 angeordnet. Die beweglichen Elektroden 24 sind mechanisch und elektrisch mit dem Gewicht 21 verbunden. Deshalb bewegen sich die beweglichen Elektroden 24 als Reaktion auf die Beschleunigung des Sensors mit dem Gewicht 21 entlang den vorbestimmten Richtungen Y. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, beinhaltet jede bewegliche Elektrode 24 vier im wesentlichen gerade, bewegliche Elektrodenausleger 24. Die linken, beweglichen Elektrodenausleger 24 und die rechten, beweglichen Elektrodenausleger 24 ragen derart in die entgegengesetzte Richtung hervor, daß sie rechtwinklig zu der Richtung Y sind. Jeder bewegliche Elektrodenausleger 24 weist in der Richtung Y einen rechteckigen Querschnitt auf.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, beinhaltet andererseits jedes feststehende Teil 30, 40 eine kammförmige, feststehende Elektrode 32, 42, welche mit jeder entsprechenden, beweglichen Elektrode 24 verschachtelt ist. Die feststehenden Teile 30, 40 sind an dem rahmenähnlichen Abschnitt der Isolationsschicht 13 befestigt, welche die Öffnung 15 definiert, um an den linken und rechten Seiten des Trägersubstrats in Fig. 1 von diesem getragen zu werden. In Fig. 1 sind das linke feststehende Teil 30 und das rechte feststehende Teil 40 elektrisch voneinander isoliert.
Jedes feststehende Teil 30, 40 beinhaltet ebenso einen Verdrahtungsabschnitt 31, 41, an welchem jedes feststehende Teil 30, 40 an dem rahmenähnlichen Abschnitt befestigt ist, um von dem Trägersubstrat 11 getragen zu werden. Jede feststehende Elektrode 32, 42 ist mechanisch und elektrisch mit jedem entsprechenden Verdrahtungsabschnitt 31, 41 verbunden. Jede feststehende Elektrode 32, 42 beinhaltet vier im wesentlichen gerade, feststehende Elektrodenausleger 32, 42. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ragen die linken feststehenden Elektrodenausleger 24 und die rechten feststehenden Elektrodenausleger 24 derart in die entgegengesetzte Richtung hervor, daß sie rechtwinklig zu der Richtung Y sind. Jeder feststehende Elektrodenausleger 24 weist in der Richtung Y einen rechteckigen Querschnitt auf.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, gibt es einen linken Zwischenraum d1 zwischen der linken beweglichen Elektrode 24 und der linken feststehenden Elektrode 32, genauer gesagt zwischen jedem linken beweglichen Elektrodenausleger 24 und dem entsprechenden linken, feststehenden Elektrodenausleger 32, und ist eine linke Kapazität CS1 zwischen der linken beweglichen Elektrode 24 und der linken feststehenden Elektrode 32 ausgebildet. Andererseits gibt es einen rechten Zwischenraum d2 zwischen der rechten beweglichen Elektrode 24 und der rechten feststehenden Elektrode 42, genauer gesagt zwischen jedem rechten beweglichen Elektrodenausleger 24 und dem entsprechenden rechten, feststehenden Elektrodenausleger 42, und ist eine rechte Kapazität CS2 zwischen der rechten beweglichen Elektrode 24 und der rechten feststehenden Elektrode 42 ausgebildet.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, liegen die oberen drei linken beweglichen Elektrodenausleger 24 den unteren drei linken feststehenden Elektrodenauslegern 32 mit einem anderen linken Zwischenraum gegenüber, der größer als der linke Zwischenraum d1 ist, um eine weitere linke Kapazität zwischen der linken beweglichen Elektrode 24 und der linken feststehenden Elektrode 32 auszubilden. Jedoch ist die weitere linke Kapazität soviel kleiner als die linke Kapazität CS1, daß sie vernachlässigbar ist. Auf eine ähnliche Weise liegen die unteren drei rechten beweglichen Elektrodenausleger 24 den oberen drei rechten beweglichen Elektrodenauslegern 32 mit einem weiteren rechten Zwischenraum gegenüber, der größer als der rechte Zwischenraum d2 ist, um eine weitere rechte Kapazität zwischen der rechten beweglichen Elektrode 24 und der rechten feststehenden Elektrode 42 auszubilden. Jedoch ist die weitere rechte Kapazität soviel kleiner als die rechte Kapazität CS2, daß sie vernachlässigbar ist.
In Fig. 1 ist jeder linke bewegliche Elektrodenausleger 24 unter jedem entsprechenden linken, feststehenden Elektrodenausleger 32 angeordnet. Andererseits ist in Fig. 1 jeder rechte bewegliche Elektrodenausleger 24 über jedem entsprechenden rechten, feststehenden Elektrodenausleger 32 angeordnet. Deshalb ändern sich die Kapazitäten CS1, CS2, wenn sich die beweglichen Elektroden 24 als Reaktion auf eine Kraft, die entlang den Richtungen Y auf das bewegliche Teil 20 wirkt, entlang den Richtungen Y bewegen, auf eine derartige Weise, daß sich eine der Kapazitäten CS1, CS2 erhöht, während sich die andere verringert. Weiterhin kann die Kraft zu einer Beschleunigung des Sensors S1 entlang den Richtungen Y in Beziehung gesetzt werden. Deshalb kann die Beschleunigung auf der Grundlage der Differenz (CS1 - CS2) zwischen den Kapazitäten CS1, CS2 gemessen werden.
Eine Anschlußfläche 31a, 41a für eine feststehende Elektrode zum Drahtkontaktieren ist an einer vorbestimmten Position auf jedem Verdrahtungsabschnitt 31, 41 der feststehenden Teile 30, 40 angeordnet. Jede Anschlußfläche 31a, 41a für eine feststehende Elektrode ist durch jeden entsprechenden Verdrahtungsabschnitt 31, 41 elektrisch mit jeder entsprechenden feststehenden Elektrode 32, 42 verbunden. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Verdrahtungsabschnitt 25 für eine bewegliche Elektrode, welche eine der Verankerungen 23b als ein Teil von ihm beinhaltet, mechanisch und elektrisch mit einem der Federteile 22 verbunden. Eine Anschlußfläche 25a für eine bewegliche Elektrode zum Drahtkontaktieren ist an einer vorbestimmten Position auf dem Verdrahtungsabschnitt 25 angeordnet. Die Anschlußfläche 25a für eine bewegliche Elektrode ist durch eines der Federteile 22 und das Gewicht 21 elektrisch mit den beweglichen Elektroden 24 verbunden. Die Elektrodenanschlußflächen 25a, 31a, 41a bestehen zum Beispiel aus Aluminium.
Wenn unter Verwendung des Sensors eine Beschleunigung gemessen wird, beinhaltet die Kraft, die entlang den Richtungen Y auf das bewegliche Teil 20 wirkt, zusätzlich zu einer veränderbaren Kraft, welche proportional zu der Beschleunigung ist, eine im wesentlichen konstante Kraft, welche zum Beispiel durch die Schwerkraft verursacht wird. Zum Beispiel ist in Fig. 3 der Sensor S1 unter Verwendung von zum Beispiel einem Klebstoff, der auf die Rückseite des Trägersubstrats 11 oder auf die Seite, die der Isolationsschicht 13 gegenüberliegt, aufgetragen ist, an einem Schaltungssubstrat 100 angebracht. Das Schaltungssubstrat 100 beinhaltet eine Erfassungsschaltung 200, welche später beschrieben wird. Das Schaltungssubstrat 100 ist zum Beispiel durch Drahtkontaktieren unter Verwendung von Gold- oder Aluminiumdrähten mit den Elektrodenanschlußflächen 25a, 31a, 41a verbunden.
Das Schaltungssubstrat 100 ist unter Verwendung von zum Beispiel einer Schraube 101 an einem ECU-Gehäuse 300 befestigt. Das ECU-Gehäuse 300 ist derart in ein Kraftfahrzeug, dessen Beschleunigung unter Verwendung des Sensors S1 zu messen ist, eingebaut, daß die Richtungen Y, entlang welcher sich das bewegliche Teil 20 bewegt, vertikal zum Boden ist, während die Unterseite des Sensors S1 in Fig. 1, auf welcher die Elektrodenanschlußflächen 25a, 31a, 41a angeordnet sind, weiter als die Oberseiten von ihm vom Boden entfernt ist. Deshalb wirkt in dem Kraftfahrzeug die Schwerkraft entlang den Richtungen Y als die im wesentlichen konstante Kraft konstant auf das bewegliche Teil 20.
Wenn der Sensor S1, der in das Kraftfahrzeug eingebaut ist, synchron zu dem Kraftfahrzeug beschleunigt wird, bewegen sich die beweglichen Elektroden 24 als Reaktion auf die Beschleunigung des beweglichen Teils 20 mit der federähnlichen Wirkung der Federteile 22 entlang den Richtungen Y und ändern sich, wie es beschrieben worden ist, die Kapazitäten CS1, CS2 auf eine derartige Weise, daß sich eine der Kapazitäten CS1, CS2 erhöht, während sich die andere verringert. Deshalb kann die Beschleunigung des Kraftfahrzeugs auf der Grundlage der Differenz (CS1 - CS2) zwischen den Kapazitäten CS1, CS2 gemessen werden.
Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, beinhaltet der Sensor S1 eine Erfassungsschaltung 200. Die Erfassungsschaltung 200 beinhaltet eine Switched-Capacitor- bzw. SC-Schaltung 210. Die SC-Schaltung 210 beinhaltet einen Kondensator 211, der eine Kapazität Cf aufweist, einen Schalter 212 und eine Differentialverstärkerschaltung 213, um die Kapazitätsdifferenz (CS1 - CS2) zu einer Spannungsdifferenz zu wandeln.
In dem Sensor S1 wird zum Beispiel eine Trägerwelle 1, die eine Amplitude Vcc aufweist, von der Anschlußfläche 31a für eine feststehende Elektrode eingegeben und wird eine Trägerwelle 2, die eine Amplitude Vcc aufweist, deren Phase um 180° von der Trägerwelle 1 versetzt ist, in die Anschlußfläche 41a für eine feststehende Elektrode eingegeben. Der Schalter 212 in der SC-Schaltung 210 wird mit einem vorbestimmten Takt ein- und ausgeschaltet. Die Erfassungsschaltung 200 gibt die Spannung V0 als Reaktion auf die Beschleunigung aus. Die Spannung V0 ist in Gleichung 1 ausgedrückt:

V0 = (CS1 - CS2) × Vcc/Cf (Gleichung 1).
Der Sensor S1 in Fig. 3 ist derart in ein Kraftfahrzeug eingebaut, um die Beschleunigung zu messen, die im wesentlichen vertikal zum Boden ist, daß die Schwerkraft entlang den Richtungen Y oder der Richtung, entlang welcher sich das bewegliche Teil 20 bezüglich des Trägersubstrats 11 bewegen kann, konstant auf das bewegliche Teil 20 wirkt. Wenn sich die beweglichen Elektroden 24 aufgrund der Schwerkraft um Δd mit dem beweglichen Teil 20 entlang der Richtung Y nach oben in Fig. 1 bewegen, wird der linke Zwischenraum d1 zwischen der linken beweglichen Elektrode 24 und der linken feststehenden Elektrode 32 um Δd schmäler, während der rechte Zwischenraum d2 zwischen der rechten beweglichen Elektrode 24 und der rechten feststehenden Elektrode 42 um Δd breiter wird.
In dem Sensor S1 in Fig. 1 sind die Zwischenräume d1, d2 derart ausgelegt, daß dann, wenn die Kraft, die entlang den Richtungen Y auf das bewegliche Teil 20 wirkt, null ist, die Zwischenräume d1, d2 im wesentlichen zueinander gleich sind, wenn die Kraft lediglich die Schwerkraft als die im wesentlichen konstante Kraft beinhaltet. Anders ausgedrückt, werden die Zwischenräume d1, d2 durch Δd kompensiert, wenn die Kraft null ist. Genauer gesagt sind die linken und rechten Zwischenräume d1, d2, wenn die Zwischenräume d1, d2, wenn die Kraft lediglich die Schwerkraft beinhaltet, durch d0 ausgedrückt sind, (d0 + Δd) bzw. (d0 - Δd), wenn die Kraft null ist.
Wie es zuvor beschrieben worden ist, ist es möglich, die Zwischenräume d1, d2 durch Differenzieren der Zwischenräume d1, d2, wenn die Kraft null ist, um Δd gleich zu machen, wenn die Kraft lediglich die Schwerkraft beinhaltet. Als Ergebnis ist es möglich, die Differenz zwischen den Kapazitäten, die der Schwerkraft entspricht, im wesentlichen auf null zu verringern. Daher ist es möglich, die Komponente, die der Schwerkraft entspricht, aus dem Sensorausgangssignal zu beseitigen, wenn der Sensor S1 verwendet wird.
Deshalb ist der Sensor S1 in Fig. 1 imstande, auch dann zweckmäßig eine Beschleunigung zu messen, wenn die Schwerkraft entlang den Richtungen Y konstant auf das bewegliche Teil 20 wirkt, wenn der Sensor S1 verwendet wird.
In dem Sensor S1 in Fig. 1 sind die Abmessungen der Zwischenräume d1, d2 derart unterschiedlich zueinander, wenn die Kraft null ist, daß die Zwischenräume d1, d2 im wesentlichen zueinander gleich sind, wenn die Kraft lediglich die Schwerkraft beinhaltet. Jedoch wird, solange die Differenz zwischen den Zwischenräumen d1, d2, wenn die Kraft lediglich die Schwerkraft beinhaltet, kleiner als (2 × Δd) ist, welches die Differenz zwischen den Zwischenräumen d1, d2 ist, die der Schwerkraft entspricht, die Komponente, die der Schwerkraft in dem Sensorausgangssignal entspricht, verringert, wenn der Sensor S1 verwendet wird.
Es folgt eine Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
In dem vorhergehenden Beispiel wird der Sensor S1 in Fig. 1 in dem Zustand verwendet, in dem die Schwerkraft entlang den Richtungen Y oder der Richtung, entlang welcher sich das bewegliche Teil 20 bezüglich des Trägersubstrats 11 bewegen kann, konstant auf das bewegliche Teil 20 wirkt. Der Sensor S1 kann jedoch in dem Zustand verwendet werden, in dem die Schwerkraft diagonal zu den Richtungen Y konstant auf das bewegliche Teil 20 wirkt. In diesem Zustand befindet sich das bewegliche Teil 20 entlang den Richtungen Y ebenso konstant unter einer im wesentlichen konstanten Kraft, die sich auf die Schwerkraft bezieht, obgleich die im wesentlichen konstante Kraft kleiner als 1 G ist.
Weiterhin kann der Sensor S1 in dem Zustand verwendet werden, daß zusätzlich zu der Schwerkraft eine weitere, im wesentlichen konstante Kraft entlang den Richtungen Y auf das bewegliche Teil 20 wirkt. Zum Beispiel kann, wenn der Sensor S1 an einem beweglichen Objekt, wie zum Beispiel einer Rakete angewendet wird, die über eine lange Zeitdauer im wesentlichen konstant beschleunigt, eine weitere, im wesentlichen konstante Kraft entlang den Richtungen Y auf das bewegliche Teil 20 wirken.
In dem Sensor S1 in Fig. 1 wird die Zwischenraumänderung Δd, die der Schwerkraft entspricht, im Vergleich zu dem vorgeschlagenen Sensor in Fig. 6 durch Ändern der Lagen der beweglichen Elektroden 24 entlang den Richtungen Y kompensiert. Jedoch kann wie bei dem Sensor S2 in Fig. 5 die Zwischenraumänderung Δd im Vergleich zu dem vorgeschlagenen Sensor in Fig. 6 durch Ändern der Lagen der feststehenden Elektroden 32, 42 entlang den Richtungen Y kompensiert werden. In dem Sensor S2 in Fig. 5 sind die Zwischenräume d1, d2, wenn die Kraft, die entlang den Richtungen Y auf das bewegliche Teil 20 wirkt, null ist, ebenso derart ausgestaltet, daß die Zwischenräume d1, d2 im wesentlichen gleich zueinander sind, wenn die Kraft lediglich die Schwerkraft als die im wesentlichen konstante Kraft beinhaltet.
Weiterhin sind in dem Sensor S1 in Fig. 1 die Kapazitäten CS1, CS2 an den gegenüberliegenden Enden des Gewichts 21 angeordnet. Die Kapazitäten CS1, CS2 können jedoch an dem gleichen Ende des Gewichts 21 ausgebildet sein. Zum Beispiel kann die Elektrodenanordnung, die in Fig. 2C der US-A-5 847 280 gezeigt ist, angewendet werden, um ein Paar der Kapazitäten CS1, CS2 jeweils an zwei Enden des Gewichts 21 auszubilden.

Claims

1. Kapazitiver Beschleunigungssensor, der aufweist:
ein Trägersubstrat (11);
ein bewegliches Teil (20), welches über einer Oberfläche des Trägersubstrats (11) angeordnet ist, wobei das bewegliche Teil (20) derart von dem Trägersubstrat (11) getragen wird, daß es sich bezüglich des Trägersubstrats (11) als Reaktion auf eine Kraft, die entlang vorbestimmten Richtungen (Y) auf das bewegliche Teil (20) wirkt, entlang den vorbestimmten Richtungen (Y) parallel zu der Oberfläche bewegt;
ein erstes feststehendes Teil (30);
ein zweites feststehendes Teil (40), wobei
jedes feststehende Teil (30, 40) über der Oberfläche angeordnet ist,
jedes feststehende Teil (30, 40) derart von dem Trägersubstrat (11) getragen wird, daß es bezüglich des Trägersubstrats (11) unter der Kraft feststehend ist,
eine erste Kapazität (CS1) zwischen dem beweglichen Teil (20) und dem ersten feststehenden Teil (30) ausgebildet ist und
eine zweite Kapazität (CS2) zwischen dem beweglichen Teil (20) und dem zweiten feststehenden Teil (40) ausgebildet ist,
sich eine der Kapazitäten (CS1, CS2) erhöht, während sich die andere Kapazität (CS1, CS2) verringert, wenn sich das bewegliche Teil (20) als Reaktion auf die Kraft bewegt,
die Kraft eine im wesentlichen konstante Kraft und eine veränderbare Kraft beinhaltet, wenn eine Beschleunigung unter Verwendung des Sensors gemessen wird,
die veränderbare Kraft proportional zu der Beschleunigung ist,
die Beschleunigung auf der Grundlage einer Größendifferenz (CS1 - CS2) zwischen den Kapazitäten (CS1, CS2) gemessen wird, und
die Kapazitäten (CS1, CS2) eine zueinander unterschiedliche Größe aufweisen, wenn die Kraft, die auf das bewegliche Teil (20) wirkt, null ist, um eine Größendifferenz zwischen den Kapazitäten (CS1, CS2) zu verringern, die der im wesentlichen konstanten Kraft entspricht.

2. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, wobei die Kapazitäten (CS1, CS2) eine zueinander unterschiedliche Größe aufweisen, wenn die Kraft, die auf das bewegliche Teil (20) wirkt, null ist, um die Größendifferenz zwischen den Kapazitäten (CS1, CS2), die der im wesentlichen konstanten Kraft entspricht, im wesentlichen vollständig zu beseitigen.

3. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche des Trägersubstrats (11) derart vertikal zum Boden ist oder bezüglich diesem geneigt ist, daß die im wesentlichen konstante Kraft durch die Schwerkraft bewirkt wird, wenn die Beschleunigung gemessen wird.

4. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, wobei
das erste feststehende Teil (30) eine erste kammförmige, feststehende Elektrode (32) beinhaltet,
das zweite feststehende Teil (40) eine zweite kammförmige, feststehende Elektrode (42) beinhaltet,
das bewegliche Teil (20) ein Gewicht (21), eine erste kammförmige, bewegliche Elektrode (24) und eine zweite kammförmige, bewegliche Elektrode (24) beinhaltet,
die beweglichen Elektroden (24) mit zwei Enden des Gewichts (21) mechanisch und elektrisch verbunden sind,
die erste bewegliche Elektrode (24) und die erste feststehende Elektrode (32) mit einem ersten Zwischenraum (d1) miteinander verschachtelt sind, um die erste Kapazität (CS1) auszubilden,
die zweite bewegliche Elektrode (24) und die zweite feststehende Elektrode (42) mit einem zweiten Zwischenraum (d2) miteinander verschachtelt sind, um die zweite Kapazität (CS2) auszubilden, und
die Zwischenräume (d1, d2) eine zueinander unterschiedliche Abmessung aufweisen, wenn die Kraft, die auf das bewegliche Teil (20) wirkt, null ist, um eine Differenz zwischen den Zwischenräumen (d1, d2) zu verringern, die der im wesentlichen konstanten Kraft entspricht.

5. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, wobei die Zwischenräume (d1, d2) eine zueinander unterschiedliche Abmessung aufweisen, wenn die Kraft, die auf das bewegliche Teil (20) wirkt, null ist, um die Größendifferenz zwischen den Zwischenräumen (d1, d2), die der im wesentlichen konstanten Kraft entspricht, im wesentlichen vollständig zu beseitigen.

6. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Oberfläche des Trägersubstrats (11) derart vertikal zum Boden ist oder bezüglich diesem geneigt ist, daß die im wesentlichen konstante Kraft durch die Schwerkraft bewirkt wird, wenn die Beschleunigung gemessen wird.