DE112004000353T5

DE112004000353T5 - Kapazitiver Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE112004000353T5
Application number: DE112004000353T
Authority: DE
Inventors: Heikki Kuisma; Juha LAHDENPERÄ; Risto Mutikainen
Original assignee: VTI Technologies Oy
Current assignee: Murata Electronics Oy
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2006-01-26
Also published as: US20040226374A1; JP2006519387A; KR101062631B1; US6938485B2; JP2013152230A; EP1599736B1; JP2011022149A; WO2004079373A1; FI119527B; NO346493B1; JP5748792B2; CH697268B1; EP1599736A1; NO20054579L; FI20030338A0; KR20050107478A

Abstract

Kapazitiver Beschleunigungssensor, der zumindest ein Paar von Elektroden aufweist, wobei das Paar der Elektroden eine bewegliche Elektrode (4) aufweist, die auf die Beschleunigung reagiert, zumindest eine ortsfeste Elektrode (5), und zumindest einen Isolatorvorsprung, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorvorsprung mit einer diamantartigen DLC-Beschichtung beschichtet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Messgeräte, die zur Messung der Beschleunigung verwendet werden, und speziell kapazitive Beschleunigungssensoren. Die Erfindung stellt eine verbesserte, verschleißfestere Sensoranordnung zur Verfügung, die besser dem Verschleiß standhält, der durch Überlastungssituationen hervorgerufen wird.
Hintergrund der Erfindung
Messungen auf Grundlage eines kapazitiven Beschleunigungssensors haben sich so erwiesen, dass sie ein einfaches Prinzip haben, und ein verlässliches Verfahren zur Messung der Beschleunigung zur Verfügung stellen. Die kapazitive Messung beruht auf einer Änderung in einem Spalt zwischen zwei Oberflächen eines Paars von Elektroden in dem Sensor. Die Kapazität zwischen den Oberflächen, oder die Kapazität zur Speicherung elektrischer Ladungen, hängt von der Fläche der Oberflächen und der Entfernung zwischen den Oberflächen ab. Eine kapazitive Messung kann bereits in relativ niedrigen Messbereichen der Beschleunigung eingesetzt werden.
Der Stand der Technik wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein Beispiel gemäß der beigefügten 1 beschrieben, die eine Seitenansicht des Aufbaus eines Paars von Elektroden eines Beschleunigungssensors nach dem Stand der Technik zeigt.
1 zeigt eine Seitenansicht des Aufbaus eines Paars von Elektroden auf einem Beschleunigungssensor nach dem Stand der Technik. Das Paar der Elektroden des Beschleunigungssensors nach dem Stand der Technik umfasst eine bewegliche Elektrode 1, die sich in Abhängigkeit von der Beschleunigung bewegt, und eine ortsfeste Elektrode 2.
Die bewegliche Elektrode 1 ist jenes Teils 1 des Beschleunigungssensors, das auf die Beschleunigung reagiert, wird durch Federn gehaltert, und bewegt sich infolge einer Beschleunigung in Bezug zur ortsfesten Elektrode 2. Die bewegliche Elektrode 1 und die ortsfeste Elektrode 2 bilden ein Paar von Elektroden, welches Beschleunigung in eine Größe umwandelt, die elektrisch gemessen werden kann, nämlich die Kapazität. Üblicherweise weist an der entgegen gesetzten Seite der beweglichen Elektrode 1 der Beschleunigungssensor nach dem Stand der Technik weiterhin ein zweites Paar von Elektroden auf, das zur Vereinfachung nicht in der Figur dargestellt ist.
Bei der Messung der Beschleunigung hängt die Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 1 und der ortsfesten Elektrode 2 des Paars der Elektroden des Sensors, also die Kapazität zum Speichern elektrischer Ladungen, von der Fläche der Oberflächen und der Entfernung zwischen den Oberflächen ab. Wenn eine Beschleunigung mittels Bewegung auf das zu messende Objekt einwirkt, folgt die ortsfeste Elektrode 2 der Bewegung des zu messenden Objekts. Die bewegliche Elektrode 1 neigt dazu, an ihrem Ort zu verbleiben, infolge von Trägheitskräften, und bewegt sich daher in Bezug auf die ortsfeste Elek trode 2. Die Entfernung zwischen der beweglichen Elektrode 1 und der ortsfesten Elektrode 2, und daher auch die messbare Kapazität, ändert sich.
Das Paar der Elektroden eines Beschleunigungssensors nach dem Stand der Technik weist weiterhin einen Isolatorvorsprung 3 auf. Das Paar der Elektroden kann auch mehrere Isolatorvorsprünge 3 aufweisen. Ein Isolatorvorsprung begrenzt die Bewegung der beweglichen Elektrode 1, die durch Federn gehaltert wird, und verhindert eine Berührung zwischen den Elektroden 1, 2 im Falle einer Überlastung, und verhindert daher auch einen Kurzschluss der Messgerätschaltung. Der Einsatz eines Isolatorvorsprungs ist beispielsweise in der Veröffentlichung des US-Patents Nr. 5 367 429 beschrieben.
Normalerweise werden dielektrische Vorsprünge als Isolatorvorsprünge 3 eingesetzt. Bei empfindlichen Beschleunigungssensoren sind die Rückstellfederkräfte der Anordnung schwach, so dass Oberflächenkräfte ein zeitweiliges oder dauerndes Festsitzen der beweglichen Elektrode 1 an der ortsfesten Elektrode 2 hervorrufen können, so dass der Sensor nicht funktioniert.
Speziell wurden Anstrengungen, ein Festsitzen von Oberflächen mikromechanischer Beschleunigungssensoren zu verhindern, durch verschiedene Aufrauungs- oder Beschichtungsbehandlungen unternommen. So wurden beispielsweise die Oberflächenkräfte verringernde Filme aus Lipidfilmen oder Fluorpolymeren bei den Anordnungen aufgebracht.
Bei den Sensoranordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung kann darüber hinaus ein mechanischer Verschleiß der Isolatorvorsprünge während des Herstellungsvorgangs auftreten. Auf diese Weise durch Abrieb verschlissene Oxidvorsprünge werden verformt, und sie können sogar mechanisch mit einer ebenso verschlissenen Siliziumoberfläche verriegelt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer derartigen, verbesserten Sensoranordnung, welche ein Festsitzen zwischen Elektroden verhindert, und welche besser Verschleiß standhält, der durch Überlastungssituationen hervorgerufen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein kapazitiver Beschleunigungssensor zur Verfügung gestellt, der zumindest ein Paar von Elektroden aufweist, so dass das Paar der Elektroden eine auf die Beschleunigung reagierende, bewegliche Elektrode aufweist, zumindest eine ortsfeste Elektrode, und zumindest einen Isolatorvorsprung, wobei der Isolatorvorsprung mit einer diamantartigen DLC-Beschichtung beschichtet ist.
Vorzugsweise weist der Isolatorvorsprung einen Verbundaufbau aus zwei Schichten auf, wobei die Basisschicht aus einem Material besteht, das sich einfach aufbringen lässt, und diese Basisschicht wiederum mit einer Deckschicht aus der diamantartigen DLC-Beschichtung beschichtet ist.
Vorzugsweise erstreckt sich die diamantartige DLC-Beschichtung der Deckschicht auch auf die Seiten des Isolatorvorsprungs. Weiterhin erstreckt sich vorzugsweise die diamantartige DLC-Beschichtung der Deckschicht auch über die Seiten des Isolatorvorsprungs hinaus auf den Bereich der ortsfesten Elektrode.
Weiterhin ist vorzugsweise die Basisschicht im Wesentlichen dicker als die Deckschicht. Vorzugsweise besteht die Basisschicht aus Oxid.
Vorzugsweise weist das Paar der Elektroden des Beschleunigungssensors mehrere Isolatorvorsprünge auf. Die Isolatorvorsprünge sind vorzugsweise an beiden Seiten der beweglichen Elektrode angeordnet. Vorzugsweise sind die Isolatorvorsprünge auf einer ortsfesten Elektrode angeordnet. Alternativ sind die Isolatorvorsprünge auf der beweglichen Elektrode angeordnet.
Vorzugsweise wächst die diamantartige DLC-Beschichtung für den Isolatorvorsprung mittels Ionenstrahlablagerung auf. Alternativ wächst die diamantartige DLC-Beschichtung für den Isolatorvorsprung durch plasmaverstärkte chemische Dampfablagerung auf. Alternativ wächst die diamantartige DLC-Beschichtung für den Isolatorvorsprung durch Lichtbogenablagerung auf.
Vorzugsweise wird die Qualität des diamantartigen DLC-Beschichtungsfilms für den Isolatorvorsprung dadurch verbessert, dass der Anteil an sp³/sp²-Bindungen erhöht wird. Vorzugsweise wird die Qualität des diamantartigen DLC-Beschichtungsfilms für den Isolatorvorsprung dadurch verbessert, dass der Wasserstoffanteil des diamantartigen DLC-Beschichtungsfilms verringert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung und ihre bevorzugten Ausführungsformen werden nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei welchen:
1 eine Seitenansicht des Aufbaus eines Paars von Elektroden eines Beschleunigungssensors nach dem Stand der Technik zeigt;
2 eine Seitenansicht des Aufbaus eines Paars von Elektroden eines Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 wurde voranstehend erläutert. Die vorliegende Erfindung und bevorzugte Verfahren für deren Implementierung werden nachstehend unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bei dem Beschleunigungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Isolatorvorsprung eines Paars von Elektroden mit einer diamantartigen DLC-Beschichtung beschichtet (DLC: diamantartiger Kohlenstoff). Durch die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung können die Festsitzkräfte verringert werden, und kann der Verschleiß der Elektroden verringert werden.
2 zeigt eine Seitenansicht des Aufbaus eines Paars von Elektroden eines Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Paar von Elektroden des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine bewegliche Elektrode 4 und eine ortsfeste Elektrode 5. Normalerweise weist der Beschleunigungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung weiterhin ein zweites Paar von Elektroden an der entgegen gesetzten Seite der ortsfesten Elektrode 4 auf, was zur Vereinfachung nicht in der Figur dargestellt ist.
Das Paar von Elektroden des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst weiterhin einen Isolatorvorsprung 6. Der Isolatorvorsprung 6 ist mit einer diamantartigen DLC-Beschichtung beschichtet (DLC: diamantartiger Kohlenstoff).
Der Isolatorvorsprung 6 gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundaufbau aus zwei Schichten, wobei eine Basisschicht dicker ist, und aus einem einfach abzulagernden Material besteht, beispielsweise Oxid, und diese Basisschicht wiederum mit einer dünneren Deckschicht aus der diamantartigen DLC-Beschichtung beschichtet ist. Die diamantartige DLC-Beschichtung der Deckschicht kann sich auch auf die Seiten des Isolatorvorsprungs 6 erstrecken, oder auch über die Ränder des Isolatorvorsprungs 6 hinaus auf den Bereich der ortsfesten Elektrode 5. Das Paar der Elektroden des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung kann mehrere Isolatorvorsprünge 6 aufweisen. Die Isolatorvorsprünge können auf beiden Seiten der beweglichen Elektrode 4 angeordnet sein. Typischerweise ist der Isolatorvorsprung 6 auf der ortsfesten Elektrode 5 angeordnet, jedoch kann alternativ der Isolatorvorsprung auch auf der beweglichen Elektrode 4 angeordnet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die diamantartige DLC-Beschichtung für den Isolatorvorsprung 6 des Paars der Elektroden des Beschleunigungssensors durch verschiedene Verfahren abgelagert werden. Die DLC-Beschichtung kann aufwachsen durch Ionenstrahlablagerung, oder alternativ durch Plasma verstärkte chemische Dampfablagerung (PECVD), oder als weitere Alternative mittels Lichtbogenablagerung.
Die Qualität des diamantartigen DLC-Beschichtungsfilms auf dem Isolatorvorsprung 6 gemäß der vorliegenden Erfindung kann dadurch verbessert werden, dass der Anteil der Bindungen sp³/sp² vergrößert wird, oder alternativ durch Verringerung des Wasserstoffanteils des diamantartigen DLC-Beschichtungsfilms.
Die diamantartige DLC-Beschichtung des Isolatorvorsprungs 6 des Paars der Elektroden des Beschleunigungssensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist beständig gegen Verschleiß, und stellt niedrige Oberflächenkräfte zur Verfügung, die sonst ein Festsitzen der Elektroden aneinander hervorrufen würden.
Die Oberflächenkräfte der Verbundanordnung aus zwei Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung sind niedriger als im Falle reiner Oxidvorsprünge. Auf diese Weise kann ein Festsitzen zwischen der beweglichen Elektrode 4 und der ortsfesten Elektrode 5 verhindert werden, beispielsweise während Überlastungssituationen.
Ein Verschleiß der Isolatorvorsprünge kann durch die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung verhindert werden, infolge des niedrigen Reibungskoeffizienten und der erhöhten Verschleißfestigkeit der Verbundanordnung aus zwei Schichten.
Durch die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein mechanischer Verschleiß des Isolatorvorsprungs während des Herstellungsvorgangs verhindert. Durch Verhindern einer mechanischen Verriegelung zwischen den Elektroden verbessert die die Reibung vermindernde, verschleißfeste Beschichtung gemäß der vorliegenden Erfindung das Verhalten des Paars der Elektroden des Beschleunigungssensors.
Zusammenfassung
Die Erfindung betrifft Messgeräte, die zur Messung der Beschleunigung verwendet werden, und speziell kapazitive Beschleunigungssensoren. Der kapazitive Beschleunigungssensor gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Paar von Elektroden auf, das aus einer beweglichen Elektrode (4) und einer ortsfesten Elektrode (5) besteht, sowie, in Beziehung zu dem Paar der Elektroden, einen Isolatorvorsprung, der eine spezielle Beschichtung aufweist. Die Erfindung stellt eine verbesserte, verschleißfestere Sensoranordnung zur Verfügung, welche dem Verschleiß, der durch Überlastungssituationen verursacht wird, besser standhält als frühere Anordnungen.

Claims

Kapazitiver Beschleunigungssensor, der zumindest ein Paar von Elektroden aufweist, wobei das Paar der Elektroden eine bewegliche Elektrode (4) aufweist, die auf die Beschleunigung reagiert, zumindest eine ortsfeste Elektrode (5), und zumindest einen Isolatorvorsprung, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorvorsprung mit einer diamantartigen DLC-Beschichtung beschichtet ist.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorvorsprung (6) einen Verbundaufbau aus zwei Schichten aufweist, wobei das Basisschichtmaterial leicht abzulagern ist, und die Basisschicht wiederum mit einer Deckschicht aus der diamantartigen DLC-Beschichtung beschichtet ist.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die diamantartige DLC-Beschichtung der Deckschicht sich auch auf die Seiten des Isolatorvorsprungs (6) erstreckt.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die diamantartige DLC-Beschichtung der Deckschicht auch über die Ränder des Isolatorvorsprungs (6) hinaus auf den Bereich der ortsfesten Elektrode (5) erstreckt.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht im Wesentlichen dicker ist als die Deckschicht.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisschicht aus Oxid besteht.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Paar der Elektroden des Beschleunigungssensors mehrere Isolatorvorsprünge (6) aufweist.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorvorsprünge auf beiden Seiten der beweglichen Elektrode (4) angeordnet sind.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorvorsprünge (6) auf der ortsfesten Elektrode (5) angeordnet sind.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorvorsprünge (6) auf der beweglichen Elektrode (4) angeordnet sind.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die diamantartige DLC-Beschichtung des Isolatorvorsprungs (6) mittels Ionenstrahlablagerung aufwächst.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die diamantartige DLC-Beschichtung des Isolatorvorsprungs (6) durch plasmaverstärkte chemische Dampfablagerung aufwächst.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die diamantartige DLC-Beschichtung des Isolatorvorsprungs (6) mittels Lichtbogenablagerung aufwächst.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität des diamantartigen DLC-Beschichtungsfilms des Isolatorvorsprungs (6) dadurch verbessert wurde, dass der Anteil an Bindungen sp³/sp² erhöht wurde.
Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualität des diamantartigen DLC-Beschichtungsfilms des Isolatorvorsprungs (6) dadurch verbessert wurde, dass der Wasserstoffgehalt des diamantartigen DLC-Beschichtungsfilms verringert wurde.