DE19939094C1

DE19939094C1 - Neigungsmesser und Verwendung eines Halbleitersensors als Neigungsmesser

Info

Publication number: DE19939094C1
Application number: DE1999139094
Authority: DE
Inventors: Manfred Greschitz; Klaus Gruber; Franz Helminger; Franz Wolf; Paul-Werner Von Basse
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2019-08-19
Also published as: WO2001013063A1

Abstract

Ein Neigungsmesser hat einen Halbleitersensor (2) mit einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3). Im Bereich der Oberfläche (3) ist ein Behältnis (5) zur Aufnahme einer Meßflüssigkeit (6) ausgeformt. Oberflächenbereiche der Oberfläche (3) werden selektiv danach abgetastet, wo die Oberfläche (3) mit der Meßflüssigkeit (6) bedeckt ist. Eine Auswertungseinrichtung (13) bestimmt daraus die Lage und Orientierung der Oberfläche (8) der Meßflüssigkeit (6) bezüglich der Oberfläche (3) des Halbleitersensors (1), die ein Maß für die Neigung des Neigungsmessers ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Neigungsmesser zur Messung der Neigung eines Gegenstands und die Verwendung eines Halbleitersensors als Neigungsmesser.

Im Stand der Technik sind optische Neigungsmesser und mecha nische Neigungsmesser bekannt. Weiterhin sind Neigungsmesser bekannt, die auf Widerstands-Winkelgebern basieren.

Bei den bekannten Neigungsmessern ist von Nachteil, daß diese aufwendig aufgebaut sind und ungenaue Ergebnisse liefern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Neigungsmesser bereitzu stellen, der einen einfachen Aufbau hat und der genaue Meßer gebnisse liefert.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen An sprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung der Nei gung eines Gegenstandes vorgesehen, die die folgenden Merkma le aufweist:

- wenigstens einen an dem Gegenstand befestigbaren Halblei tersensor mit wenigstens einer kapazitiv emp findlichen Oberfläche, die eine Vielzahl von einzeln und selektiv abtastbaren Oberflächenbereichen aufweist,
- im Bereich oberhalb der kapazitiv empfindli chen Oberfläche ist ein Behältnis zur Aufnahme wenigstens einer vorbestimmten Menge einer Meßflüssigkeit ausgeformt,
- eine mit dem Halbleitersensor in Verbindung stehende Er fassungseinrichtung, die so ausgebildet ist, daß die Ober flächenbereiche der kapazitiv empfindlichen Oberfläche se lektiv abtastbar sind, wobei zumindest Anzahl und/oder La ge derjenigen Oberflächenbereiche, an denen die Oberfläche mit der Meßflüssigkeit bedeckt ist, sowie Anzahl und/oder Lage derjenigen Oberflächenbereiche, die nicht von der Meßflüssigkeit bedeckt sind, feststellbar sind,
- eine mit der Erfassungseinrichtung in Verbindung stehende Auswertungseinrichtung, die so ausgebildet ist, daß aus der Anzahl und/oder Lage derjenigen Oberflächenbereiche, an denen die Oberfläche von Meßflüssigkeit bedeckt ist, und/oder aus der Anzahl und/oder Lage derjenigen Oberflä chenbereiche, die nicht von Meßflüssigkeit bedeckt sind, die Lage und/oder Orientierung der freien Oberfläche der Meßflüssigkeit bezüglich der Oberfläche des Halbleitersen sors bestimmbar ist.

Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch die Verwendung eines Halbleitersensors mit einer kapazitiv empfindlichen Oberflä che, in deren Bereich ein Behältnis zur Aufnahme wenigstens einer vorbestimmten Menge einer Meßflüssigkeit ausgeformt ist, als Neigungsmesser.

Gemäß einem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken wird ein Halbleitersensor bereitgestellt, der eine Vielzahl von ein zeln abtastbaren Oberflächenbereichen bzw. Pixeln aufweist. Dabei ist mit der Bezeichnung "abtastbar" im Zusammenhang mit der Erfindung gemeint, daß feststellbar ist, ob sich oberhalb eines bestimmten Oberflächenbereichs Meßflüssigkeit befindet oder nicht. Mit einem Halbleitersensor, der eine kapazitiv empfindliche Oberfläche aufweist, läßt sich diese Funktion besonders einfach bereitstellen. Dabei kann nämlich in jedem Oberflächenbereich abgetastet werden, welche Kapazität der betreffende Oberflächenbereich im Zusammenhang mit der darauf befindlichen Meßflüssigkeit aufweist. Sofern eine für die Meßflüssigkeit charakteristische Kapazität festgestellt wird, läßt dies darauf schließen, daß sich Meßflüssigkeit oberhalb des Oberflächenbereichs befindet.

Gemäß der Erfindung ist im Bereich der kapazitiv empfindli chen Oberfläche ein Behältnis zur Aufnahme einer Menge einer Meßflüssigkeit ausgeformt. Dabei kann das Behältnis insbeson dere oberhalb der kapazitiv empfindlichen Oberfläche ausge formt sein. Wenn die Meßflüssigkeit wie gemäß der Erfindung vorgesehen in dem Behältnis untergebracht ist, dann verändert sich mit einem Verändern der Lage des Halbleitersensors bei einer Neigung des Gegenstands derjenige Bereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche, der von der Meßflüssigkeit bedeckt wird. Mit der erfindungsgemäßen Erfassungseinrichtung können dann diejenigen Bereiche der kapazitiv empfindlichen Oberflä che, die mit der Meßflüssigkeit bedeckt sind, von denjenigen Oberflächenbereichen unterschieden werden, die nicht von der Meßflüssigkeit bedeckt sind. Gemäß der Erfindung ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn jeweils sowohl die Anzahl und/oder die Lage der betreffenden Oberflächenbereiche fest stellbar sind. Diese Informationen können mit der erfindungs gemäßen Erfassungeinrichtung ausgewertet werden, so daß die Lage und/oder Orientierung der freien Oberfläche der Meßflüs sigkeit bezüglich der Oberfläche des Halbleitersensor be stimmbar ist. Wenn der Neigungsmesser ausgehend von einer Ru helage geeicht ist, läßt sich so auf einfache Weise die Nei gung eines Gegenstandes, an dem der Halbleitersensor befe stigt ist, bestimmen.

Je nach Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Neigungsmessers genügt es dabei, die Lage und/oder Orientierung wenigstens eines Teils der freien Oberfläche der Meßflüssigkeit bezüg lich der Oberfläche des Halbleitersensors zu bestimmen. Gera de für einachsige Neigungsmessungen reicht es hierbei aus, den Verlauf wenigstens einer Schnittlinie der Oberfläche der Meßflüssigkeit mit der Oberfläche des Halbleitersensors zu bestimmen. Eine solche Ausbildung ist besonders dann vorteil haft, wenn das Behältnis zur Aufnahme der Meßflüssigkeit über der Oberfläche des Halbleitersensors ausgebildet ist und ei nen rechteckigen Umriß aufweist. Ein solches Behältnis wird dann bevorzugt nur etwa zur Hälfte mit Flüssigkeit gefüllt und in einem Grundzustand so angeordnet, daß die kapazitiv empfindliche Oberfläche des Halbleitersensors in senkrechter Richtung verläuft. In diesem Fall wird die Meßflüssigkeit in nerhalb des geschlossenen Behältnisses gehalten, wobei nur ein Teil der Oberfläche des Halbleitersensors mit Meßflüssig keit bedeckt ist. Bei einer Verlagerung des Halbleitersensors um eine senkrecht zu Oberfläche des Halbleitersensors verlau fende Achse ändert sich derjenige Bereich, in dem die Meßflüssigkeit die Oberfläche des Halbleitersensors bedeckt. Diese Veränderung wird abgetastet, wobei auf die Veränderung der Lage des Halbleitersensors zurückgeschlossen werden kann.

In einer Abwandlung eines der Erfindung zugrundeliegenden Ge dankens kann zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientie rung der Oberfläche der Meßflüssigkeit bezüglich der Oberflä che des Halbleitersensors auch wenigstens ein charakteristi scher Punkt bestimmt werden, der sich aus dem Schnitt der Oberfläche der Meßflüssigkeit mit der Oberfläche des Halblei tersensors ergibt oder daraus errechenbar ist. Ein charakte ristischer Punkt kann dabei im Sinne der Erfindung auch ein Punkt der Schnittlinie der Meßflüssigkeit mit dem Halbleiter sensor sein.

Die vorstehend beschriebene Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat sich besonders dann bewährt, wenn das Behält nis zur Aufnahme der Meßflüssigkeit als konkave Höhlung aus geformt ist, wobei der Halbleitersensor in wenigstens einem Oberflächenbereich der Höhlung vorgesehen ist. Durch die kon kave Ausformung der Oberfläche des Halbleitersensors ergibt sich somit gerade in einem Betriebsbereich der erfindungsge mäßen Vorrichtung stets eine geschlossene Schnittlinie zwi schen der Oberfläche der Meßflüssigkeit und der Oberfläche des Halbleitersensors. Diese Schnittlinie kann durch das Ab tasten der kapazitiv empfindlichen Oberflächenbereiche der Oberfläche des Halbleitersensors rekonstruiert werden, wobei sich aus der Schnittlinie ferner ein Normalenvektor auf der freien Oberfläche der Meßflüssigkeit errechnen läßt. Dieser Normalenvektor verläuft unter dem Einfluß der Schwerkraft auf die Meßflüssigkeit stets parallel zur Einflußrichtung der Gravitation, der die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgesetzt ist. Dadurch läßt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sogar eine absolute Lage und/oder Orientierung des Gegenstan des bestimmen, an dem die erfindungsgemäße Vorrichtung befe stigt ist.

In Weiterbildung dieses Aspekts der Erfindung kann das Be hältnis als kegelförmige oder als kugelförmige Höhlung ausge formt sein. Dadurch ergeben sich ellipsenförmige bzw. kreis förmige Schnittlinien zwischen der Meßflüssigkeit und der Oberfläche des Halbleitersensors. Dadurch wird eine Auswer tung der Signale der Erfassungseinrichtung vereinfacht.

Die Erfindung ist auch in der Verwendung eines Halbleitersen sors mit kapazitiv empfindlicher Oberfläche als Neigungsmes ser verwirklicht, wobei im Bereich der kapazitiv empfindli chen Oberfläche ein Behältnis zur Aufnahme wenigstens einer vorbestimmten Menge einer Meßflüssigkeit vorgesehen ist. Der Halbleitersensor ist dabei vorzugsweise gemäß den obenstehen den Aspekten ausgeformt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand mehrerer Ausfüh rungsbeispiele veranschaulicht.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen ersten Neigungsmesser,

Fig. 2 zeigt einen weiteren Querschnitt durch den Nei gungsmesser aus Fig. 1,

Fig. 3 zeigt den Neigungsmesser aus Fig. 1 in einer ver änderten Lage,

Fig. 4 zeigt einen Gegenstand, der mit dem Halbleitersen sor aus Fig. 1 versehen ist,

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren Neigungsmesser und

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen weiteren Neigungsmesser.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen ersten Neigungsmesser 1 im Querschnitt. Dabei zeigt Fig. 2 einen Querschnitt entlang einer Symmetrielinie A-A des Neigungsmes sers 1 aus Fig. 1.

Der Neigungsmesser 1 hat einen Halbleitersensor 2 mit einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3.

Die kapazitiv empfindliche Oberfläche 3 weist eine Vielzahl von in der Ansicht nicht gezeigten Pixeln auf, die jeweils kapazitiv empfindlich ausgebildet sind. Die einzelnen Pixel können über eine Vielzahl von Anschlußleitungen 4, von denen hier nur eine Anschlußleitung dargestellt ist, einzeln dar aufhin abgetastet werden, welche Kapazität sie jeweils auf weisen.

Wie man besonders deutlich in Fig. 2 sieht, ist im Bereich der oberhalb kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3 ein ge schlossenes Gefäß 5 ausgeformt, das in der Draufsicht gemäß Fig. 1 einen rechteckigen Querschnitt hat. Das Gefäß 5 ist zur Hälfte mit einer Meßflüssigkeit 6 gefüllt, wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist. Dabei ist der Halbleitersensor 2 so ausgerichtet, daß die kapazitiv empfindliche Oberfläche 3 pa rallel zur Richtung der Gravitation 7 verläuft.

Fig. 3 zeigt den Neigungsmesser 1 aus Fig. 1 und Fig. 2 in demgegenüber geneigtem Zustand, bei dem der Halbleitersensor 2 um eine Achse senkrecht zur kapazitiv empfindlichen Ober fläche 3 verdreht ist. Wie man in Fig. 3 besonders gut sieht, hat sich dabei eine freie Oberfläche 8 der Meßflüssig keit 6 so auf der kapazitiv empfindlichen Oberfläche 3 verla gert, daß gegenüber dem Zustand in Fig. 1 und Fig. 2 unter schiedliche Oberflächenbereiche mit Meßflüssigkeit 6 bedeckt sind.

Zur Bestimmung der Neigung des Halbleitersensors 2 werden die Lage der Endpunkte A' und B' der freien Oberfläche A der Meß flüssigkeit 6 bezüglich den Wänden des Gefäßes 5 bestimmt. Im vorliegenden Fall gemäß Fig. 3 ergibt sich der Neigungswin kel α aus den Bedeckungslängen l₁ und l₂ der Wandungen des Gefäßes 5 gemäß der folgenden Formel

Fig. 4 zeigt einen Gegenstand 10, der mit dem Neigungsmesser 1 aus Fig. 1 versehen ist. Wie man in dieser Ansicht beson ders gut sieht, steht der Neigungsmesser 1 über die Anschluß leitungen 4 mit einer Erfassungseinrichtung 11 in Verbindung, die die Oberflächenbereiche der kapazitiv empfindlichen Ober fläche 3 selektiv abtastet. Die Erfassungeinrichtung 11 steht über eine Datenleitung 12 mit einer Auswertungseinrichtung 13 in Verbindung, die die von der Erfassungeinrichtung 11 erfaß ten Daten auswertet und über eine Anzeige ausgibt.

Fig. 5 zeigt einen zweiten Neigungsmesser 20 im Querschnitt. Der zweite Neigungsmesser 20 hat ein Halbleitersubstrat 21, in das eine kegelförmige Vertiefung 22 eingebracht ist. Die Vertiefung 22 ist mit einer Abschlußplatte 23 dicht ver schlossen. Die Oberfläche der Vertiefung 22 ist so ausgestal tet, daß sich kapazitiv empfindliche Oberflächenbereiche er geben, die über in dieser Ansicht nicht dargestellte An schlußleitungen selektiv abgetastet werden können.

In die Vertiefung 22 ist eine Meßflüssigkeit 24 eingebracht, die eine freie Oberfläche 25 aufweist. Die freie Oberfläche bildet mit der Oberfläche der Vertiefung 22 eine im allgemei nen ellipsenförmige Schnittlinie, von der in Fig. 5 zwei Schnittpunkte A und B sichtbar sind.

Insbesondere die Lage der Schnittpunkte A und B sind durch die kapazitiv empfindlichen Oberflächenbereiche der Vertie fung 22 abtastbar. Darüber hinaus kann aus dem Verlauf der Schnittlinie der freien Oberfläche 25 mit der Oberfläche der Vertiefung 22 ein Normalenvektor auf der freien Oberfläche 25 der Meßflüssigkeit 24 errechnet werden, der die absolute Orientierung des Halbleitersubstrats 21 zu einer Gravitations richtung angibt.

In Fig. 5 ist eine freie Oberfläche 26 der Meßflüssigkeit 24 eingezeichnet, die sich bei einer Verlagerung des Halbleiter substrats 21 ergibt. In dieser Ansicht sind zwei Schnittpunk te A' und B' der freien Oberfläche 26 mit der Oberfläche der Vertiefung 22 verdeutlicht.

Fig. 6 zeigt einen dritten Neigungsmesser 30 im Querschnitt. Der dritte Neigungsmesser 30 hat ein Halbleitersubstrat 31, in das eine kugelkappenförmige Vertiefung 32 eingebracht ist. Die Oberfläche der Vertiefung 32 weist kapazitiv empfindliche Oberflächenbereiche auf, die über in dieser Ansicht nicht ge zeigten Anschlußleitungen selektiv abtastbar sind. Die Ver tiefung 32 ist durch eine Abschlußplatte 33 dicht verschlos sen.

Der von der Abschlußplatte 33 und von der Vertiefung 32 ge bildete Hohlraum ist teilweise mit einer Meßflüssigkeit 34 gefüllt. Die Meßflüssigkeit 34 hat dabei eine freie Oberflä che 35, die zusammen mit der Oberfläche der Vertiefung 32 ei ne kreisförmige Schnittlinie bildet, von der in dieser An sicht die beiden Schnittpunkte A und B sichtbar sind. Aus dem Verlauf der Schnittlinie zwischen der freien Oberfläche 35 und der Oberfläche der Vertiefung 32 kann ein Normalenvektor auf die freie Oberfläche 35 errechnet werden, der die Ober fläche der Vertiefung 32 in einem Zenitpunkt Z schneidet. Der Zenitpunkt Z weist dabei in der Richtung der auf die Meßflüs sigkeit wirkenden Gravitation stets nach oben und kann zur Auswertung der Neigung des dritten Neigungsmessers 30 verwen det werden. Dies ist in einer zweiten, in Fig. 6 eingezeich neten Lage der Meßflüssigkeit 34 einer freien Oberfläche 36 deutlich zu sehen, bei der sich die Schnittpunkte A und B so wie der Zenit Z, so verlagert haben, daß sich Schnittpunkte A' und B' sowie ein Zenit Z' ergeben.

Bezugszeichenliste

1

erster Neigungsmesser

2

Halbleitersensor

3

kapazitiv empfindliche Oberfläche

4

Anschlußleitung

5

Gefäß

6

Meßflüssigkeit

7

Gravitation

8

freie Oberfläche

10

Gegenstand

11

Erfassungseinrichtung

12

Datenleitung

13

Auswertungseinrichtung

20

zweiter Neigungsmesser

21

Halbleitersubstrat

22

Vertiefung

23

Abschlußplatte

24

Meßflüssigkeit

25

freie Oberfläche

26

freie Oberfläche

30

dritter Neigungsmesser

31

Halbleitersubstrat

32

Vertiefung

33

Abschlußplatte

34

Meßflüssigkeit

35

freie Oberfläche

36

freie Oberfläche

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Neigung eines Gegenstandes (10), die die folgenden Merkmale aufweist:

- wenigstens einen an dem Gegenstand (10) befestigbaren Halbleitersensor (2; 21; 31) mit wenigstens einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3), die eine Vielzahl von einzeln abtastbaren Oberflächenbe reichen aufweist,
- im Bereich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3) ist ein Behältnis (5; 22; 32) zur Aufnahme wenigstens einer vorbestimmten Menge einer Meßflüssigkeit (6; 24; 34) ausgeformt,
- eine mit dem Halbleitersensor (2; 11; 21) in Verbin dung stehende Erfassungseinrichtung (11), die so aus gebildet ist, daß die Oberflächenbereiche der kapazi tiv empfindlichen Oberfläche (3) selektiv abtastbar sind, wobei zumindest Anzahl und/oder Lage derjenigen Oberflächenbereiche, an denen die kapazitiv empfindli che Oberfläche (3) mit der Meßflüssigkeit (6; 24; 34) bedeckt ist, sowie Anzahl und/oder Lage derjenigen Oberflächenbereiche, die nicht von der Meßflüssigkeit (6; 24; 34) bedeckt sind, feststellbar sind,
- eine mit der Erfassungseinrichtung (11) in Verbindung stehende Auswertungseinrichtung (13), die so ausgebil det ist, daß aus der Anzahl und/oder Lage derjenigen Oberflächenbereiche, an denen die kapazitiv empfindli che Oberfläche (3) von Meßflüssigkeit (6; 24; 34) be deckt ist, und/oder aus der Anzahl und/oder Lage der jenigen Oberflächenbereiche, die nicht von Meßflüssig keit (6; 24; 34) bedeckt sind, die Lage und/oder Ori entierung wenigstens eines Teils der Oberfläche (8; 25, 26; 35, 36) der Meßflüssigkeit (6; 24; 34) bezüg lich der kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3) des Halbleitersensors (2; 21; 31) bestimmbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung der Oberfläche (8; 25, 26; 35, 36) der Meßflüssigkeit (6; 24; 34) bezüglich der Oberfläche des Halbleitersensors der Verlauf wenigstens einer Schnittlinie (A-B; A'-B') der Oberfläche (8; 25, 26; 35, 36) der Meßflüssigkeit (6; 24; 34) mit der Oberfläche des Halbleitersensors (2; 21; 31) bestimmbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung der Oberfläche (8; 25, 26; 35, 36) der Meßflüssigkeit (6; 24; 34) bezüglich der Oberfläche des Halbleitersensors minde stens ein charakteristischer Punkt (A-B, Z; A'-B', Z') innerhalb wenigstens eines von der Schnittlinie (A-B; A'- B') der Oberfläche (8; 25, 26; 35, 36) der Meßflüssigkeit (6; 24; 34) mit der Oberfläche des Halbleitersensors (2; 21; 31) umgebenen Bereichs bestimmbar ist.

4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Meßflüssigkeit (6) ein über der Oberflä che des Halbleitersensors (1) ausgeformtes Behältnis (5) mit rechteckigem Umriß vorgesehen ist.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Meßflüssigkeit (6; 24; 34) eine konkave Höhlung (22; 32) vorgesehen ist, wobei der Halbleitersen sor (20; 30) in wenigstens einem Oberflächenbereich der Höhlung (22; 32) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis als kegelförmige Höhlung (22) ausgeformt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis als kugelförmige Höhlung (32) ausgeformt ist.

8. Verwendung eines Halbleitersensors (2; 21; 31) mit einer kapazitiv empfindlichen Oberfläche (3), in deren Bereich ein Behältnis (5; 22; 32) zur Aufnahme wenigstens einer vorbestimmten Menge einer Meßflüssigkeit (6; 24; 34) aus geformt ist, als Neigungsmesser (1; 20; 30).

9. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungsmesser (1; 20; 30) die Merkmale einer Vor richtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.