DE3625411A1 - Kapazitiver beschleunigungssensor - Google Patents
Kapazitiver beschleunigungssensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Beschleuni
gungssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solcher Beschleunigungssensor ist durch die DE-OS
32 23 987 bekannt. Dieser weist eine Klappe auf, die an
einem Träger über zwei Torsionshalterungen befestigt
ist, die symmetrisch und in Verlängerung einer Kante
der Klappe angeordnet sind. Eine Elektrode, die auf
einer unterhalb der Klappe vorhandenen Platte aufge
bracht ist, ermöglicht das Messen der Beschleunigung
durch Messen der entsprechenden Änderung der Kapazität
zwischen der Klappe und der Elektrode. Ein derartiger
Sensor erzeugt eine Kapazitätsänderung, die eine rela
tiv komplizierte Funktion der Beschleunigung ist, weil
sich der Luftspalt zwischen der Klappe und der Elek
trode nur keilförmig ändert. Ferner sind bei dieser
Torsionsaufhängung relativ große Querempfindlichkeiten
zu erwarten. Durch die in vertikaler Richtung unsym
metrische Anordnung der Klappe besteht auch kein aus
reichender Überlastschutz des Sensors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Beschleunigungssensor der eingangs genannten Art die
Linearität des Ausgangssignals, die Querempfindlichkeit
und den Überlastschutz zu verbessern. Diese Aufgabe
wird gemäß der Erfindung durch die in den Ansprüchen
gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Durch die Anordnung der zentral an Biegebändern aufge
hängten Beschleunigungsplatte hat der erfindungsgemäße
Beschleunigungssensor eine hohe Empfindlichkeit, die
von bekannten, auch von piezoresistiven Sensoren, nicht
erreicht wird. Es werden den aufgebrachten Beschleuni
gungen entsprechende, etwa gleichmäßig ansteigende
Kapazitätsänderungen erreicht, wobei ein hohes Maß an
Überlastschutz erzielbar und somit die Möglichkeit
eines Kurzschlusses verringert ist.
Der voll symmetrische Aufbau der Struktur garantiert
eine sehr genau definierte Nullpunktlage. Außerdem ist
durch die beidseitige Aufhängung mit vier, vorzugsweise
acht Biegebändern die Querempfindlichkeit äußerst ge
ring. Die beidseitige Anordnung der starren Deckplatten
mit den Gegenelektroden gewährleistet ein hohes Maß an
elektrischer Sicherheit.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsformen erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform
eines Beschleunigungssensors;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Beschleunigungssensor
nach Fig. 1 unter Fortlassung einer oberen
Deckplatte entsprechend den Pfeilen II-II;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform
eines Beschleunigungssensors und
Fig. 4 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform
eines Beschleunigungssensors.
Ein Beschleunigungssensor 1 besteht entsprechend den
Fig. 1 und 2 aus einer zentralen Beschleunigungsplatte
2, die mittels einer geraden Anzahl von Biegebändern 3,
vorzugsweise jedoch acht Biegebändern 3 an einem Rahmen
4 aufgehängt ist. Die Biegebänder 3 führen von den
Ecken der Ober- und Unterseite der Beschleunigungs
platte 2 zu dem im Abstand um die Beschleunigungsplatte
2 herum angeordneten Rahmen 4. Oberhalb und unterhalb
der in gleicher Stärke ausgeführten Beschleunigungs
platte 2 und des Rahmens 4 sind Deckplatten 5 vorhan
den, die jeweils auf dem Rahmen 4 aufliegen. Gegenüber
der Beschleunigungsplatte 2 und den Biegebändern 3 sind
in die Deckplatten 5 jeweils Vertiefungen 6 eingearbei
tet, in die je ein metallischer Film 7 aufgebracht ist.
Wenn die Beschleunigungsplatte 2, die Biegebänder 3 und
der Rahmen 4 aus einem einkristallinen Silizium mono
lithisch herausgearbeitet sind, können die Oberflächen
der Beschleunigungsplatte 2 als die einen Elektroden
und die metallischen Filme 7 in den Deckplatten 5 als
die anderen Elektroden von zwei Plattenkondensatoren
mit den Vertiefungen 6 als Spalte zwischen den Elektro
den dienen. Beim Einwirken von Beschleunigungen bilden
die Elektroden variable Kapazitäten, die zur Messung
der Beschleunigung dienen. Die Abnahme der wechselnden
Stromänderungen durch Änderungen der Spalte 6 bei ver
schiedenen Beschleunigungen erfolgt in bekannter Weise
z.B. durch einen mit der Beschleunigungsplatte 2 ver
bundenen Leistungsstreifen 8 (sh. Fig. 2) und von den
metallischen Filmen 6 zwischen den Deckplatten 5 und
dem Rahmen 4 herausgeführte Leitungsstreifen 9, (sh.
Fig. 1). Zur Dämpfung des Sensors 1 sind zwei Möglich
keiten vorhanden. Erstens kann der aus den Spalten 6
und Freiräumen 11 rund um die Beschleunigungsplatte 2
vorhandene Innenraum bis auf einen definierten Rest
druck durch einen in die obere Deckplatte 5 eingearbei
teten Kanal 12 evakuiert werden. Die zweite Möglichkeit
besteht darin, den Kanal 12 als Luftkanal offen zu las
sen.
Zur Herstellung dieser Ausführungsform, bei der die Be
schleunigungsplatte 2, die Biegebalken 3 und der Rahmen
4 aus einem einkristallinem Substrat monolithisch
herausgearbeitet werden, wird für das Substrat Silizium
mit niedriger Dotierung und einer Kristallorientierung
(100) verwendet. Die Biegebalken 3, die nicht parallel
zu einer (111) Kristallebene liegen dürfen, müssen mit
einer hohen Bordotierung (<7×1019cm-3) versehen
werden, damit sie für den nachfolgenden Strukturie
rungsvorgang ätzresistent gemacht sind. Dieses kann
mittels einer entsprechend dotierten Epitaxieschicht,
bzw. mit Ionenimplantation oder Diffusion erreicht wer
den. Danach werden die Umrisse der Ätzgrube lithogra
fisch definiert und anisotrop geätzt. In die Deckplat
ten 5, die vorzugsweise aus Glas bestehen, werden die
Vertiefungen 6 ebenfalls herausgeätzt und daran an
schließend die metallischen Filme 7 und Leitungsstrei
fen 9 aufgedampft. Schließlich werden die Deckplatten 5
mit den Rahmen 4 mit Hilfe einer anodischen Verbin
dungstechnik durch Anlegen einer elektrischen Spannung
bei erhöhter Temperatur verbunden.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform eines
Beschleunigungssensors 1 a sind anstelle der aus dem
einheitlichen Substrat herausgearbeiteten Biegebänder 3
gesonderte Biegestreifen 15 vorhanden, die zwischen die
Beschleunigungsplatte 5 eingelegt sind. Die Biegestrei
fen 15 können, wie hier dargestellt, aus einem mit
einem Metallfilm 16 beschichteten Dielektrikum be
stehen, z.B. aus Si3N4 oder SiO2. Weiterhin kön
nen die Biegestreifen 15 direkt aus einem Metallfilm
bzw. einer Metallfolie direkt aufgedampft oder aufge
tragen werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die
als mittlere Kondensatorelektroden dienenden Biege
streifen 15 bzw. die Metallfilme 16 gegenüber dem
Rahmen 4 dielektrisch isoliert werden können.
In der Ausführungsform eines Beschleunigungssensors 1 b
entsprechend Fig. 4 sind die Beschleunigungsplatte 2
und die Biegebänder 3 um die Breite der Spalte 6 dünner
als der Rahmen 4. Diese verringerte Dicke läßt sich bei
der Herstellung aus einem einheitlichen Substrat ohne
Schwierigkeiten herausarbeiten. Diese Anordnung hat den
Vorteil, daß die Deckplatten 5 nicht gesondert bearbei
tet werden müssen.
Alle drei Ausführungsformen des Beschleunigungssensors
1, 1 a und 1 b können direkt als kapazitive Signalgeber
benutzt werden, wobei sich beim Einwirken von Beschleu
nigungen zwei sich gegenläufig ändernde Kapazitäten zur
Verfügung stehen, die in einer geeigneten Brückenanord
nung verschaltet werden können. Ferner können die bei
den Meßkapazitäten durch zwei starre Kapazitäten er
gänzt werden, die zwischen dem Rahmen 4 und den Deck
platten 5 eine Temperaturkompensation der Meßkapazitä
ten ermöglichen.
Eine andere Möglichkeit der Signalauswertung besteht in
der elektrischen Fesselung der Beschleunigungsplatte 2,
wobei diese durch Anlegen einer Gegenspannung in ihrer
Nullposition gehalten werden kann. Es wird dabei die
bei einer Beschleunigung auftretende Gegenspannung ge
messen. Mit dieser Meßanordnung können Resonanzeffekte
herauskompensiert werden.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen
stellen die gebräuchlichste Art des erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors dar. Es liegt auch im Rahmen der
Erfindung, mindestens zwei Biegebänder anzuordnen, die
in der Mitte einer Längsseite die Ober- und Unter
seiten der Beschleunigungsplatte und des Rahmens ver
binden. Eine weitere, in der Praxis verwendbare Aus
führungsform besteht darin, daß vier Biegebänder spie
gelbildlich an nur einer Längsseite der Beschleuni
gungsplatte angeordnet sind, und diese Längsseite mit
Ausführungsform ist für besonders empfindliche Mes
sungen geeignet, z.B. zur Messung der Neigung eines
Gegenstandes gegenüber dem Schwerefeld der Erde.
Claims (12)
1. Kapazitiver Beschleunigungssensor, der mit
mikromechanischer Fertigungstechnologie und Ätztechnik
hergestellt ist, dadurch
gekennzeichnet, daß eine vorzugsweise
rechteckige Beschleunigungsplatte (2) mit einer geraden
Anzahl von symmetrisch bezüglich der Mittelebene
zwischen der Ober- und Unterseite der Beschleunigungs
platte angeordneten Biegebändern (3, 15) zentral im
Innern des Beschleunigungssensors (1, 1 a, 1 b) aufgehängt
ist, wobei entweder die Beschleunigungsplatte (2)
selbst oder auf ihren Oberflächen aufgebrachte Leiter
(15, 16), die einen Kondensatorelektroden von zwei Plat
tenkondensatoren bilden, deren Gegenelektroden (7) auf
gegenüberliegenden Flächen, die durch Spalte (6) von
der Beschleunigungsplatte getrennt sind, aufgebracht
sind.
2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Be
schleunigungsplatte (2), ein sie umgebender Rahmen (4)
und die Biegebänder (3, 15) beidseitig unter Freilassung
der Spalte (6) durch Deckplatten (5) abgedeckt sind,
auf deren der Beschleunigungsplatte zugewandten Flächen
die Gegenelektroden (7) aufgebracht sind.
3. Beschleunigungssensor nach den Ansprüchen 1 und
2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschleunigungsplatte (2), die Biegebänder (3) und der
Rahmen (4) aus einem einkristallinen Substrat monoli
thisch herausgearbeitet sind.
4. Beschleunigungssensor nach den Ansprüchen 1 und
2, dadurch gekennzeichnet, daß nur
die Beschleunigungsplatte (2) und der Rahmen (4) aus
einem einkristallinen Substrat bestehen, und daß geson
derte Biegestreifen (15) zwischen die Beschleunigungs
platte und die Deckplatten eingelegt sind.
5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Biege
streifen (15) aus einem mit einer Metallschicht (16)
versehenen Dielektrikum bestehen.
6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Biegestreifen
(15) aus einer Metallfolie bestehen.
7. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spalte (6) zwi
schen der Beschleunigungsplatte (2) mit den Biegebän
dern (3) und den Deckplatten (5) durch Einätzen der
Deckplatten hergestellt sind.
8. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spalte (6)
zwischen der Beschleunigungsplatte (2) mit den Biege
bändern (3) und den Deckplatten (5) durch um die Spalt
breite verringerte Dicke der Beschleunigungsplatte
gegenüber dem Rahmen (4) hergestellt sind.
9. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spalte (6) und
Freiräume (11) zwischen der Beschleunigungsplatte (2),
den Deckplatten (5) und dem Rahmen (4) bis auf einen
definierten Restdruck evakuiert sind.
10. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß von Spalten (6) und
den Freiräumen (11) zwischen der Beschleunigungsplatte
(2), den Deckplatten (5) und dem Rahmen (4) ein Luft
kanal (12) durch eine der Deckplatten führt.
11. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10 gekennzeichnet
durch vier Biegebänder (3), welche spiegelbildlich an
nur einer Längsseite der Beschleunigungsplatte (2) an
geordnet sind, und diese Längsseite mit der Ober- und
Unterseite des Rahmens (4) verbinden.
12. Beschleunigungssensor nach einem oder mehreren
der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet
durch acht Biegebänder (3), welche spiegelsymmetrisch
an den Ecken der Beschleunigungsplatte (2) angeordnet
sind und ihre Ober- und Unterseite mit dem Rahmen (4)
verbinden.
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