DE19637265A1 - Sensor zur kapazitiven Aufnahme einer Beschleunigung - Google Patents
Sensor zur kapazitiven Aufnahme einer BeschleunigungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur kapazitiven
Aufnahme einer Beschleunigung mit einem Interdigi
tal-Kondensator, der zwei eine Vielzahl von längli
chen Fingern aufweisende Elektroden umfaßt, wobei
die Finger der beiden Elektroden zumindest teil
weise ineinandergreifen und eine der beiden Elek
troden verlagerbar ist, die mit einer auslenkbaren
seismischen Masse gekoppelt ist.
Aus dem Stand der Technik sind Beschleunigungssen
soren bekannt, die mit Hilfe von Interdigital-Kon
densatoren eine kapazitive Aufnahme einer Beschleu
nigung durchführen. Als Interdigital-Kondensator
wird dabei ein Kondensator bezeichnet, der zwei
Elektroden umfaßt, die jeweils eine Vielzahl von
Fingern aufweisen. Die Finger greifen zumindest
teilweise ineinander und bilden somit mit den je
weils benachbarten Fingern der Gegenelektrode Teil
kapazitäten aus. Die Summe dieser Teilkapazitäten
entspricht dann der Gesamtkapazität des Interdigi
tal-Kondensators.
Die Teilkapazität ist bei diesen Kondensatoren ab
hängig von dem Grad des Ineinandergreifens der Fin
ger und dem Abstand zu den benachbarten Fingern.
Zur Messung der Beschleunigung wird bei den bekann
ten Lösungen eine Elektrode beweglich gelagert,
derart, daß die Abstände zwischen den Fingern der
einen Elektrode und den benachbarten Fingern sich
verändern. Die Längsrichtung der Finger liegt somit
senkrecht zu der zu detektierenden Beschleunigungs
richtung.
Diese Anordnung der Elektroden hat den Nachteil,
daß die Kapazitätsänderung nicht proportional zur
Auslenkung und damit zur anliegenden Beschleunigung
ist. Darüber hinaus tritt häufig das Problem auf,
daß benachbarte Finger der beiden Elektroden eines
Kondensators zusammenkleben, wenn beispielsweise
eine Überbelastung vorliegt.
Der Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat
den Vorteil, daß die Kapazitätsänderung der Konden
satoren direkt proportional zur Auslenkung und da
mit zur Beschleunigung ist. Darüber hinaus läßt
sich das Auftreten von Verklebungen zweier Finger
deutlich verringern. Dadurch, daß sich die Finger
der verlagerbaren Elektrode parallel zu den Fingern
der anderen Elektrode bewegen, wobei deren Abstand
quer zur Auslenkrichtung im wesentlichen konstant
bleibt und sich die Überlappung (1) verändert, läßt
sich die verlagerbare Elektrode so verstärken, daß
eine Bewegung senkrecht dazu nicht mehr möglich
ist. Damit treten keine Verklebungen mehr auf, da
die Finger immer einen definierten Abstand zu be
nachbarten Fingern besitzen.
Vorzugsweise ist die mit der verlagerbaren Elek
trode gekoppelte seismische Masse an vier Federstä
ben aufgehängt. Damit läßt sich eine hohe Steifig
keit gegenüber Bewegungen erreichen, die quer zur
Detektionsrichtung liegen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung
ist die seismische Masse zweigeteilt, wobei jeweils
ein Teil einer Elektrode zugeordnet ist, die beiden
Masseteile jedoch miteinander verbunden bleiben.
Hiermit läßt sich eine Kompensation von auftreten
den Materialspannungen durchführen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbei
spielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläu
tert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Be
schleunigungssensors,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Be
schleunigungssensors,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Be
schleunigungssensors, und
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Be
schleunigungssensors.
In Fig. 1 ist ein Beschleunigungssensor 1 darge
stellt, der zur kapazitiven Aufnahme der Beschleu
nigung geeignet ist. Er ist in einer Oberflächenmi
kromechnik-Technik konzipiert und findet in zuneh
mendem Maße im Automobilbau in aktiven und passiven
Rückhaltesystemen und in der Fahrdynamikregelung
Verwendung.
Der Beschleunigungssensor 1 umfaßt zwei Kondensa
tor-Einheiten 3, 5, die jeweils als Interdigital-
Kondensator ausgebildet sind.
Die beiden Interdigital-Kondensatoren 3, 5 umfassen
jeweils zwei Elektroden 7, 9, an denen jeweils eine
Vielzahl von länglichen Fingern 11 vorgesehen sind.
Damit weisen die Elektroden 7, 9 eine Kammstruktur
auf.
Fig. 1 läßt deutlich erkennen, daß die einzelnen
Finger 11 gegenüberliegender Elektroden 7, 9 zumin
dest teilweise ineinandergreifen. So taucht jeweils
ein Finger der Elektroden 9 in einen Raum zwischen
zwei Fingern 11 einer Elektrode 7.
Bei dieser Kammstruktur wird jeweils ein Kondensa
tor zwischen einem Finger der Elektrode 9 und einem
benachbarten Finger der Elektrode 7 ausgebildet.
Die Kapazität dieses Kondensators hängt dabei ei
nerseits von der Höhe der Struktur und von dem
Abstand d zwischen den beiden Fingern ab und
andererseits einer Fingerlänge 1, die der Finger 11
in den Zwischenraum eintaucht.
Die beiden Elektroden 9 sind mit einer seismischen
Masse 13 gekoppelt, die an ihren beiden Enden par
allel zu den Fingern 11 verlaufende Versteifungs
fortsätze 15 besitzt, an deren Enden wiederum Fe
derstäbe 17 angebracht sind. Jeweils zwei Feder
stäbe 17.1, 17.2 beziehungsweise 17.3, 17.4 sind an
einer Verankerung 19 angebracht, die mittig zu der
Elektrode 9 und den sich gegenüberliegenden Fort
sätzen 15.1, 15.2 vorgesehen ist.
Somit ist die Einheit aus Elektroden 9, seismischer
Masse 13 und Fortsätzen 15 an den Federstäben 17
federnd gelagert und in x-Richtung auslenkbar.
Im Gegensatz dazu sind die Elektroden 7 in ihrer
Lage über ebenfalls mittig angeordnete Verankerun
gen 21 fixiert. Wirkt nun eine in x-Richtung ge
richtete Beschleunigung auf den Sensor 1 ein, wird
die seismische Masse 13 zusammen mit den Elektroden
9 aufgrund ihrer Trägheit in x-Richtung ausgelenkt.
Dabei verringert sich beispielsweise in dem gezeig
ten Ausführungsbeispiel die Eintauchtiefe 1 in der
Kondensator-Einheit 3, während die Eintauchtiefe 1
in der Kondensator-Einheit 5 zunimmt. Der Abstand d
zwischen den Fingern bleibt jedoch konstant. Damit
ergibt sich insgesamt eine Kapazitätsänderung, die
proportional zu der Beschleunigung ist, da ledig
lich eine lineare Abhängigkeit von der Eintauch
tiefe 1 vorliegt.
Um zu verhindern, daß eine Auslenkung der seismi
schen Masse mit den Elektroden 9 in y-Richtung auf
tritt, sind die Fortsätze 15 so dimensioniert und
ausgelegt, daß sie eine Versteifung bewirken.
Mit Hilfe einer entsprechenden Dimensionierung der
Federstäbe 17, beispielsweise eine Verbreiterung
eines Teils des Stabes, können bestimmte die Emp
findlichkeit des Sensors beeinflussende Parameter
eingestellt werden. Die Empfindlichkeit gegenüber
"out of plane"-Beschleunigungen läßt sich durch ein
Aspektverhältnis der Federstabhöhe zur Federstab
breite von ca. 5:1 um etwa den Faktor 100 kleiner
einstellen als gegenüber der auszuwertenden Be
schleunigung. Damit haben solche "out of plane"-Be
schleunigungen keinen negativen Einfluß auf das
Meßergebnis. Zur Begrenzung der Auslenkung in
x-Richtung können feststehende Anschläge vorgesehen
sein, die elektrisch auf gleichem Potential mit der
seismischen Masse und den Elektroden 9 liegen.
Fig. 1 läßt noch erkennen, daß die Federstäbe 17
beziehungsweise die Elektroden 7 an den Verankerun
gen 19 beziehungsweise 21 nicht direkt, sondern
über schmale Verbindungsstücke 23 miteinander ver
bunden sind. Diese Verbindungstücke 23 beziehungs
weise 25 dienen zur Entkopplung von mechanischen
Spannungen. Darüber hinaus ist die Positionierung
der Verankerungen im Hinblick auf die durch unter
schiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der
verwendeten Materialien hervorgerufenen Verspannun
gen optimiert.
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines
Beschleunigungssensors 1, dessen Funktionsweise
derjenigen des ersten Sensors gemäß Fig. 1 ent
spricht. Auf eine nochmalige Beschreibung der mit
gleichen Bezugszeichen gekennzeichneten Teile wird
deshalb verzichtet.
Der Unterschied zu der ersten Ausführungsform be
steht unter anderem darin, daß die Einheit aus
seismischer Masse 13 und Elektrode 9 aufgetrennt
wurde. Die beiden festen Elektroden 7 liegen nun in
der gezeigten Anordnung innen, während die verla
gerbaren Elektroden 9 außen angeordnet sind. Gekop
pelt sind die beiden außenliegenden Elektroden 9
und die seismischen Massen 13 über entsprechende
Verbindungsfortsätze 15.
Eine Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Ausfüh
rungsform ist in Fig. 3 zu sehen. Hierbei wurde
lediglich die Aufhängung der beiden seismischen
Massen 13 und den Elektroden 9 verändert. Die Fe
derstäbe 17 sind nicht mehr an den beiden Enden der
Elektroden angebracht, sondern an einem mittig vor
gesehenen Befestigungsteil 27. Die anderen Enden
der Federstäbe 17 sind an einem Befestigungssteg 29
befestigt, der mit mittig angeordneten Verankerun
gen 19 gekoppelt ist.
Eine weitere Ausführungsform des Beschleunigungs
sensors 1 ist in Fig. 4 dargestellt. Hierbei sind
wiederum die beiden seismischen Massen 13 mit den
Elektroden 9 zwischen den beiden festen Elektroden
7 angeordnet. Die vier Federstäbe 17 verlaufen zwi
schen den beiden seismischen Massen 13 und sind an
einem Ende an einer gemeinsamen Verankerung 21 be
festigt und an den anderen Enden an Verbindungsste
gen 15, die die beiden seismischen Massen 13 ver
binden.
Diese Ausführungsform bietet die beste Kompensation
von Verspannungen durch thermische Ausdehnung, da
die seismische Masse nur in einem Punkt Kontakt zum
Untergrund hat.
Selbstverständlich sind auch andere nicht darge
stellte Ausführungsformen der Erfindung denkbar.
Claims (11)
1. Sensor zur kapazitiven Aufnahme einer Beschleu
nigung mit zumindest zwei Interdigital-Kondensato
ren (3, 5), deren jeder zwei eine Vielzahl von läng
lichen Fingern (11) aufweisende Elektroden (7, 9)
umfaßt, wobei die Finger (11) zumindest teilweise
ineinandergreifen und eine der Elektroden (9) ver
lagerbar ist, und mit einer auslenkbaren seismi
schen Masse (13), die mit der verlagerbaren Elek
trode (9) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektroden (7, 9) so angeordnet sind, daß
sich die Finger (11) bei einer Auslenkung einer
Elektrode (9) parallel zueinander bewegen, wobei
deren Abstand (d) quer zur Auslenkungsrichtung im
wesentlichen konstant bleibt und sich die Überlap
pung (1) verändert, und daß die beiden Interdigi
tal-Kondensatoren so zueinander angeordnet sind,
daß sich bei einer Beschleunigung der Kapazitäts
wert des einen Kondensators erhöht und der des an
deren verringert.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die seismische Masse (13) an vier Federstäben
(17) gelagert ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß jeder verlagerbaren Elektrode (9)
eine seismische Masse (13) zugeordnet ist, wobei
die beiden Massen miteinander gekoppelt sind.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden verlagerba
ren Elektroden (9) zusammen mit der seismischen
Masse (13) zwischen den festen Elektroden (7) ange
ordnet sind.
5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die festen Elektroden (7) zwischen den verla
gerbaren Elektroden (9) und den seismischen Massen
(13) angeordnet sind.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Federstäbe (17) an
den Enden der seismischen Massen (13) angebracht
sind.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Federstäbe (17) an den
seismischen Massen (13) mittig angebracht sind.
8. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden verlagerbaren Elektroden (9) mit den
seismischen Massen (13) parallel und beabstandet
zueinander angeordnet sind und daß die Federstäbe
(17) zwischen den beiden Elektroden (9) verlaufen
und an einem gemeinsamen Verankerungspunkt (21) an
gebracht sind.
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die festen Elektroden
(7) mittig an einer Verankerung (19) angebracht
sind.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindung zwischen Elektrode und Veranke
rung (19) über Verbindungsstege erfolgt, die der
Entkopplung dienen.
11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Anschläge vorgesehen
sind, die den Auslenkungsbereich der seismischen
Masse (13) begrenzen und auf dem gleichen Potential
wie die Elektroden (9) liegen.
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