DE19832905C2 - Kapazitiver Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Beschleunigungssensor bestehend aus einer federnd gelagerten spiegelsymmetrisch ausge­ bildeten seismischen Masse nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1, wie er aus der DE 42 26 430 A1 bekannt ist.

Ein solcher Beschleunigungssensor besteht prinzipiell aus einer seismischen Masse, die eine Elektrode in einem elektrischen Kon­ densatorsystem bildet, in dem die mindestens eine Gegenelektrode ortsfest auf einem Träger angebracht ist. Bewegungen beschleuni­ gender Art verändern je nach Beschleunigungsstärke und -richtung die Lage der seismischen Masse zu der Gegenelektrode während dieser Einwirkungsdauer. Diese Lageänderung ändert die elektri­ sche Kapazität des Systems und ist damit ein Maß für die Be­ schleunigung.

Der o. a. Sensor hat aufgrund von unterschiedlichen Substrat- und Sensormaterialien eine höhere Temperaturabhängigkeit als ein Sensor, welcher nur aus einem Material besteht. Somit ist für solche Sensoren eine gute Temperaturkompensation besonders wich­ tig.

In vielen Anwendungsgebieten wird von den Sensoren verlangt, daß sie über eine große Temperaturspanne einsetzbar sind (z. B. im Automobilbau von -30° bis 50°C) und zudem möglichst temperatur­ unabhängig Meßwerte liefern.

Den größten Einfluß auf die Temperaturabhängigkeit des Beschleu­ nigungssensors haben die unterschiedlichen Wärmeausdehungskoef­ fizienten von dem Substratmaterial Keramik (α_Ke = 8.1 . 10^-6/K) und dem Aufbaumaterial Nickel (α_Ni = 13.3 . 10^-6/K).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beschleunigungssensor der e. g. Art so auszugestalten, daß er eine möglichst große Tempera­ turkompensation aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor hat folgende besonde­ ren Vorteile:

Die Temperaturkompensation wurde dadurch weiter verbessert, daß die gegen einander beweglichen Massen nur in der unmittelbaren Nähe oder auf der Mittelachse mit Hilfe von Halteblöcken auf dem Substrat gehaltert sind.

Die Elektroden wurden kammartig gestaltet. Damit lassen sich größere Kapazitäten pro Grundflächeneinheit verwirklichen.

Die massiveren Konstruktionsteile des Sensors wurden durch Ver­ strebungen ersetzt (Fachwerk), was sich positiv auf die Prozeß­ sicherheit bei der Herstellung des Sensors auswirkt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Hilfe der Figur näher erläutert. Dabei zeigt die Fi­ gur auf der rechten Seite eine vereinfachte schematische Dar­ stellung des Beschleunigungssensors und auf der linken Seite ein vergrößertes maßstäbliches Ausführungsbeispiel.

Eine auf den Sensor wirkende Kraft sorgt für eine Auslenkung der seismischen Masse gegen Gegenelektroden. Diese Auslenkung der seismischen Masse wird mit Hilfe eines kapazitiven Detektors be­ stimmt und die Auslenkung mit Hilfe einer an die Elektroden an­ gelegten Spannung kompensiert. Dabei ist die Größe der Kompensa­ tionsspannung ein Maß für die einwirkende Kraft.

Der rechte Teil der Figur zeigt einen schematischen Beschleuni­ gungssensor von Oben. Das darunter liegende Keramiksubstrat ist nicht dargestellt. Die dargestellten Teile bestehen aus Nickel. Andere Metalle wie Kupfer- und Nickelkobaltlegierung sind eben­ falls möglich. Durch die Wahl des Metalls (Elastizitätsmodul) kann zusätzlich die Schwingungsfrequenz verändert werden. Der Rahmen 2 wird mit Hilfe der beiden Halteblöcke 1 auf der Sym­ metrieachse des Sensors auf dem Substrat gehaltert. Über die beiden Blattfedern 3 ist die seismische Masse 4 mit diesem Rah­ men 2 verbunden. Durch die Ausbildung der Blattfedern 3 kann die seismische Masse 4 nur parallel zur Zeichenebene schwingen. Die seismische Masse 4 hat zwei rechteckige Ausnehmungen, an deren Rändern Elektroden 10 angebracht sind und in denen vier längliche Träger 5, 6, 7 und 8 für Gegenelektroden 11 angeordnet sind. Dabei greifen die jeweils kammartig angeordneten Elektro­ den 10 und Gegenelektroden 11 derart ineinander, daß sie Konden­ satoren bilden. Die Träger sind nur in unmittelbarer Nähe der Symmetrieachse mit Hilfe der Halteblöcke 9 auf dem Substrat be­ festigt. Da sich die Halteblöcke 1 des Rahmens 2 auf dieser Sym­ metrieachse befinden, wird so die Temperaturabhängigkeit der Kapazitäten zwischen Elektroden und Gegenelektroden in y-Rich­ tung minimiert. Die Elektroden sind bezüglich der Längsachsen der Träger 5 bis 8 jeweils spiegelsymmetrisch angeordnet. Dadurch wird die Temperaturabhängigkeit der Kapazitäten in x-Richtung kompensiert.

Die Elektroden 10, 11 sind spiegelsymmetrisch zur globalen Sym­ metrieachse (durch die beiden Halteblöcke 1) angeordnet und zwar derart, daß sich die Kapazitäten bei diagonal gegenüberliegenden Trägern bei einer Auslenkung in y-Richtung gleichsinnig ändern. Dadurch wird erreicht, daß sich die entsprechenden Kapazitäten bei direkt gegenüber liegenden Trägern bei einer Auslenkung in y-Richtung gegensinnig ändern. Die beiden sich diagonal gegenüberliegenden Träger sind jeweils leitend mit einander verbunden (hier nicht dargestellt). Dadurch wird bei Kompensa­ tion der Auslenkung der seismischen Masse durch Anlegen einer Spannung kein zusätzliches Drehmoment erzeugt.

Der Abstand zwischen einer Elektrode und ihren beiden unmittel­ bar benachbarten Gegenelektroden (und umgekehrt) ist mit d1 und d2 bezeichnet. Durch geeignete Wahl dieses Abstandsverhältnisses kann die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors optimiert werden. Günstig sind Werte von d1/d2 zwischen 0,2 und 0,6. An­ stelle des Rahmens 2 mit den zwei Halteblöcken 1 genügt auch ein Halteblock 1 mit einem Haltebalken (rechter Teil des Rahmens 2).

Bei der maßstäblichen Darstellung des Beschleunigungssensors (Kantenlänge 5 × 3,5 mm) im linken Teil der Figur sind alle tra­ genden Elemente (Träger 5 bis 8, Rahmen 2 und seismische Masse 4) als Fachwerk ausgebildet.

Im linken Teil des Rahmens 2 fehlen die Verstrebungen. Dies soll dem oberen und unteren Teil des Rahmens 2 bei einer Temperatur­ änderung die Möglichkeit geben sich auszudehnen oder zusammenzu­ ziehen, ohne dabei die Einspannung der Blattfedern 3 am rechten Teil des Rahmens 2 nach außen zu verschieben und somit das Meß­ signal zu verfälschen. Die geringere Steifigkeit des linken Rah­ menteils läßt diesen nachgeben und somit die Längenänderung auf­ fangen.

Die vergrößerten Ausschnitte über dem Beschleunigungssensor zei­ gen links einen Anschlag 12 und rechts das Ineinandergreifen von Elektroden 10 und Gegenelektroden 11. Die Anschläge begrenzen den Ausschlag der seismischen Masse 4 und verhindern so die Be­ schädigung der Elektroden 10 und 11.

Das LIGA-Verfahren mit Opferschicht, wie es z. B. in der DE 37 27 142 A1 beschrieben ist, eignet sich gut zur Herstellung des Beschleunigungssensors.

Das Tragwerk (Träger 5 bis 8, Rahmen 2 und seismische Masse 4) ist bis zu 250 µm breit. Beim Ätzen der Opferschicht muß nun die Ätze die ganze Breite des Tragwerks unterätzen. Ist die Ätze einmal unter das Tragwerk vorgedrungen, so wird die verbrauchte Ätze nur durch Diffusion gegen neue Ätze ausgetauscht. Das Un­ terätzen des Tragwerks läuft daher sehr langsam ab. Zusätzlich setzen die geomterischen Randbedinungen des Sensors die Ätzge­ schwindigkeit weiter herab. Das Tragwerk steht nicht frei auf dem Substrat, sondern ist teilweise von anderen Sensorteilen eingerahmt, die somit den freien Zufluß der Ätze weiter hindern. Die Erfahrung beim gattungsgemäßen Beschleunigungssensor zeigt, daß das Freiätzen unter diesen Bedingungen bis zu sechs Stunden betragen kann.

Daher wurde durch die Ausbildung als Fachwerk die zu unterätzen­ den Strecken möglichst klein gehalten. Dies bewirkt eine größere Prozeßsicherheit.

Dieses wurde durch das Ersetzen der massiven Balken im Tragwerk durch Fachwerkbalken erreicht. So ließ sich die maximal zu un­ terätzende Strecke auf 50 µm herabsetzen. Zusätzlich wird der Weg für die Ätze zum Boden des Substrats durch die viele große Öffnungen wesentlich erleichtert. Damit läßt sich die Ätzzeit von sechs Stunden auf ca. 30 min reduzieren.

Durch das Fachwerk nimmt die Steifigkeit des Balkens etwas ab. Mit Hilfe von FEM-Berechnungen wurde die Breite des Fachwerkbal­ kens so angepaßt, daß die Steifigkeit eines massiven 250 µm Bal­ kens wieder erreicht wird.

Als weiterer positiver Nebeneffekt sinkt die Masse der Trag­ werks. Somit konnte die Federsteifigkeit der Schwingfeder herab­ gesetzt werden, was zu kleineren Zugspannungen an den Federn führt. Dies läßt größere Schwingungsamplituden der seismischen Masse zu, was zu einer Erhöhung der Auflösung um ca. 10% führt.

Der elektrische Kontakt der Gegenelektroden wird durch Goldlei­ terbahnen nach außen geführt. Dabei laufen diese zwangsweise auch unter der seismischen Masse durch und verursachen so para­ sitäre Kapazitäten, die die elektrische Auswertung der Meßsi­ gnale erschweren. Durch das Fachwerk ist die Fläche des Trag­ werks des Detektors zur darunter verlaufenden Leiterbahn ver­ kleinert worden. Damit ist deren parasitäre Kapazität linear zur Flächenabnahme gesunken.

Bei der LIGA-Technik sind wegen des hohen Aspektverhältnisses größere Kapazitäten als in Silizium-Technik möglich.

Als Substratmaterial läßt sich Keramik verwenden. Dies bildet mit dem darüber liegenden Nickelelemten keine parasitätre Kapa­ zitäten aus. In der Silizium-Technik wird meist auch Silizium als Substrat verwendet. Da Silizium ein Halbleiter ist, bildet es mit dem darüber liegenden Silizumteilen eine parasitätre Ka­ pazität, die sich ungünstig auf die elektronische Regelung und Auswertung des Sensors auswirkt.

Bezugszeichenliste

1

Halteblöcke für den Rahmen

2

Rahmen

3

Blattfedern

4

Seismische Masse

5

Träger für Gegenelektroden

6

Träger für Gegenelektroden

7

Träger für Gegenelektroden

8

Träger für Gegenelektroden

9

Halteblöcke für die Träger

5

,

6

,

7

, und

8

10

Elektroden

11

Gegenelektroden

12

Anschläge

Claims (6)

1. Kapazitiver Beschleunigungssensor bestehend aus einer federnd gelagerten spiegelsymmetrisch ausgebildeten seismischen Masse an der kammartig Elektroden befestigt sind und mindestens zwei Gruppen von spiegelsymmetrisch angeordneten kammartigen Gegen­ elektroden, die jeweils an einem Träger befestigt sind, die zwischen die an der seismischen Masse befestigten Elektroden eingreifen, wobei die Gegenelektroden starr und die seismische Masse über zwei Blattfedern an einem Keramikträger befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (5, 7) der Gegen­ elektroden (11) allein im Bereich der der Symmetrieachse am nächsten liegenden Punkte mit Hilfe der Halteblöcke (9) befe­ stigt sind.

2. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die seismische Masse (4) und alle breiteren Trageelemente als Fachwerk ausgebildet sind.

3. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch weitere kammartige Elektroden (10) an der seismischen Masse (4) und zwei weitere Gruppen von spiegelsym­ metrisch angeordneten kammartigen Gegenelektroden (11), die jeweils an einem Träger (6, 8) befestigt sind, die zwischen die an der seismischen Masse (4) befestigten Elektroden (11) eingreifen, welche so auf dem Keramikträger angeordnet sind, daß bei thermischer Ausdehnung zu jedem Elektroden-Gegenelek­ trodenpaar, bei dem sich der Elektrodenabstand vergrößert, ge­ nau ein entsprechendes Paar gehört, bei dem sich der Elektro­ denabstand verkleinert.

4. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektroden (11) spiegelsymmetrisch zur Längsachse der Träger (5, 6, 7, 8) an­ geordnet sind.

5. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (3) an ei­ nem Rahmen (2) befestigt sind, der die seismische Masse (4) umschließt und der an mindestens einer Stelle (1) auf der Sym­ metrieachse mit Hilfe des Halteblocks (1) mit dem Keramikträ­ ger verbunden ist.

6. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, gekenn­ zeichnet durch Anschläge (12) zur Beschränkung der Bewegung der seismischen Masse (4).