DE3923042A1 - Kapazitiver wegsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Wegsensor mit zwei Kondensator­ platten, welche an Oberflächen Elektroden tragen, die einander zugekehrt sind und zwischen sich einen Spalt aufweisen.

Kapazitive Sensoren sind bekannt als Kraft- oder Drucksensoren, vgl. IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-29 (1982) Jan., 1, New York, USA, Seiten 48 bis 56. Im allgemeinen weisen diese Sensoren aus­ lenkbare oder ausbiegbare Bereiche, insbesondere Membranen, Zungen o.ä. auf. Ein Beispiel eines kapazitiven Sensors mit Biegebändern ist in der Deutschen Patentschrift 36 25 411 beschrieben. Er dient als Beschleuni­ gungssensor. Ein anderer Beschleunigungsmesser mit einer Klappe, die über zwei dünne Halterungen an einen Träger befestigt ist und gegenüber einer Elektrode beweglich ist, ist der Deutschen Offenlegungsschrift 32 23 967 zu entnehmen.

Aus der EP 1 23 646 B1 ist eine Kraftmeßvorrichtung mit einem steifen oberen und unteren Bauteil und einem elastischen Körper bekannt, wobei dieser kapazitive Fühler eine Vielzahl ebener Elektroden aufweist und wobei wenigstens eine Elektrode des einen Abschnitts des Fühlers bezüg­ lich der Elektroden eines anderen Abschnittes verschoben wird. Bei die­ sem bekannten kapazitiven Fühler ist auch die Messung einer Relativver­ schiebung der beiden steifen Bauteile ermöglicht. Die Beispiele beziehen sich jedoch auf kreisförmige Plattenkondensatoren mit sektorförmigen Elektroden. Andere Beispiele sind nicht erläutert.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, einen Wegsensor zu schaffen, mit dem bei linearen Bewegungen zurückgelegte Wege bis zu einigen Zentime­ tern genau erfaßt und ausgewertet werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale.

Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind der Beschreibung von Merkma­ len zu entnehmen, wie sie anhand des Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert sind. Hierzu gehören auch Abwandlungen und Kombinationen der verschiedenen Merkmale miteinander.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist unter anderem darin zu sehen, daß mit Hilfe der angegebenen Herstellungstechniken ein Sensor geschaf­ fen wird, der eine genaue Führung für die bewegliche Platte gegenüber der ruhenden Platte des Kondensators gewährleistet und so einwandfreie Meßergebnisse liefert. Es können longitudinale und laterale Verschiebe­ bewegungen mechanischer, thermischer, elektrischer, fluider, magneti­ scher oder anderer Art genau erfaßt werden, weil sich die überstrichene Elektrodenfläche mit der Bewegung linear ändert und somit auch die er­ haltenen Meßsignale. Meßbereich und Abstände können genau definiert wer­ den. Gleiches gilt für den Plattenabstand zueinander (Spalt). Da die Ka­ pazität die gemessen wird bei einer Verschiebebewegung zwischen den Platten direkt proportional ist zum Verschiebeweg (Auslenkung) der Plat­ te ist es erwünscht, daß der Abstand oder Spalt zwischen den Platten konstant bleibt. Dies ist durch die bei Halbleitern übliche Packungs­ technik (Chip-Packaging) leicht möglich.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel zeigen:

Fig. 1 das Halbleiterelement 1 als eine Platte des Kondensators und das Verschiebeelement 2 als demgegenüber beweglicher Teil,

Fig. 2 den Halbleiterkörper 1 mit darauf aufgebrachter Elektrodenfläche,

Fig. 3 das bewegliche insbesondere streifenförmige Element 2 mit Gegen­ elektrode und mit den Führungen im Teil 1 korrespondierenden Ge­ genstücken.

In Fig. 1 ist die Bewegungsrichtung des beweglichen Elements 2 auf dem ruhenden Element 1 (beide bilden im elektrischen Sinne Platten des Kon­ densators) mit X bezeichnet. Das Element 2 kann dabei gezogen oder ge­ drückt werden mit hierzu bekannten Mitteln der Auslenkung oder Verschie­ bung. Die Zug- oder Druckmittel müssen nicht an dem beweglichen Element 2 befestigt sein, sondern können auch durch Kontakt auf dieses einwirken.

Fig. 2 zeigt das Halbleiterelement 1 als untere Platte des Kondensators und es ist ferner ersichtlich, daß die Bewegungsrichtung X mit Vorteil an der vorderen Kante gemäß Fig. 2 einen Nullpunkt hat.

Als Material für die Platte 1 dient ein anisotrop ätzbares Material, insbesondere ein Halbleiter der Gruppen III bis V des Periodensystems der Elemente, wie Silizium, Germanium, Galliumarsenid o.ä. Wenigstens eine Oberfläche ist teilweise (bereichsweise) in einem flächenhaften Be­ reich mit einer Metallisierung versehen, die ihr als Elektrode dient. Als Aufbringungsverfahren dient dabei Aufdampfen, Aufsputtern oder Auf­ drucken. Der Bereich bzw. die Umgrenzung der Elektrodenfläche wird auf photolitographischem Wege hergestellt (Maskentechnik). Als Elektrode zwischen den zwei longitudinalen Führungen in Richtung X dient im Bei­ spiel eine Metallisierung aus Gold, Silber oder anderem Edelmetall oder edelmetallhaltigem Material.

Die beiden zueinander parallelen Führungen sind durch Ätzen von V-Gru­ ben, insbesondere in Leisten 3 und 4, welche der Führung des beweglichen Elements 2 dienen, hergestellt. In den V-Gruben ist eine weitere Metal­ lisierung als Schicht 5 ausgebildet, welche die V-Gruben bedeckt, die jedoch von der Metallisierung, welche die Elektrode 6 bildet, verschie­ den ist. Während die Elektrode 6, bevorzugt edelmetallhaltig ist, be­ steht die Schicht 5, welche die V-Gruben bedeckt, bevorzugt aus Chrom, Titan oder anderem Unedelmetall oder einem Platinmetall oder enthält diese; die gleiche Metallisierungsschicht ist auf den korrespondierenden geführten Teilen 7 und 8 als Schicht aufgebracht, welche Erhebungen auf dem streifenförmigen beweglichen Teil 2 bilden und in die V-Gruben des Teils 1 eingreifen. Wesentlich ist, daß diese Schichten 5 aus Chrom, Ti­ tan o.ä. Material sowohl elektrisch gut leitend als auch ausreichend ab­ riebfest sind. Auch ein kohlenstoffhaltiges Material oder Carbid insbe­ sondere Metallcarbid ausreichender Leitfähigkeit kann hier Anwendung finden.

Wie Fig. 1 zeigt ist das bewegliche Teil 2 auf dem ruhenden Teil 1 ange­ ordnet und bewegt sich in Richtung des Teiles von Fig. 2 X von dem Ende aus, an dem die Elektrodenfläche 6 fast die gesamte Breite zwischen den Führungen 3 und 4 einnimmt und sodann sich in ihrer Fläche stetig ver­ jüngt, bis es nahezu spitz zuläuft am anderen Ende (diagonal gegenüber­ liegend zwischen den parallelen Führungen), auf der Oberfläche die der Metallisierung 9, aus dem gleichen Material (Gold) wie die Metalli­ sierung 6, als Gegenelektrode zugekehrt ist. Der Abstand der Elektroden 6 und 9 zueinander, bleibt mit Vorteil konstant (etwa 2-5 µm, je nach Wahl des Abstandes der V-Gruben). Je größer der Abstand der Elek­ troden der Platten ist, desto weniger machen sich Abstandsänderungen aufgrund von Oberflächenrauhigkeiten bemerkbar. Veränderungen des Ab­ standes tragen zu Fehlern in der Verschiebung der Platten bei. Sowohl der Abstand der V-Gruben als auch die Länge in X-Richtung der Platte 1 ist wählbar. Auf der für die Metallisierung vorgesehenen Oberfläche ist eine möglichst hohe Bearbeitungsgüte (Klette).

Wenn sich in Funktion bei dem erfindungsgemäßen Sensor aufgrund eines äußeren Einflusses eine Platte gegenüber einem anderen relativ bewegt, insbesondere das Teil 2 auf den Teil 1 longitudinal oder lateral, je nachdem ob man Fig. 1 oder Fig. 2 betrachtet, so verändert sich auch die Kapazität wegen der sich verändernden Fläche der Elektrode 6 über die das streifenförmige oder fingerförmige Teil 2 sich im Laufe der Ver­ schiebung in Richtung X bewegt. Selbstverständlich könnte der Pfeil in Fig. 2 ebenso umgekehrt verlaufen, d.h. von der Spitze zum gegenüberlie­ genden Ende die Bewegung ausgehen.

Da der Spalt zwischen den Platten konstant bleibt, ist die Kapazität hier direkt proportional zur Auslenkung des beweglichen Teils 2. Dies wird gemessen nach der Formel Kapazität C = ε × ε₀× A/d, wobei A = F(x) und d = konstant. Darin bedeuten ε und ε₀ rechnerisch oder empirisch ermittelte Größen und A die Fläche, die zur Auslenkung oder Verschiebung direkt proportional ist, und d den Spalt zwischen den Elek­ troden der Platten.

Die Meßsignalerkennung erfolgt bei der Erfindung vorzugsweise mittels bekannter "switched capacitor"-Filter. Solche SCF-Bauelemente verwenden­ de Signalerkennungsschaltungen, insbesondere als Frequenzerkennungs­ schaltungen, sind bekannt, vgl. die Zeitschrift Elektronik-Applikation Nr. 19 vom 29.09.1987 Seiten 48 bis 51. Dort insbesondere das Kapitel "Einsatzmöglichkeiten".

Bei der Auswertung sollen nach Möglichkeit direkt die gemessenen Wege digital angezeigt werden. Dabei bevorzugt die Erfindung eine integrierte Signalaufbereitung auf einem einzigen Chip (Single-Chip) mit Signalvor­ verstärker und Empfindlichkeitsabgleich sowie Offset-Kompensation. Eine Kompensation bzw. automatische Korrektur systematischer Fehler des Sen­ sors und automatische Selbstkalibrierung sind hierbei ebenfalls selbst­ verständlich und an sich bekannt. vgl. den Aufsatz "Intelligente Senso­ ren" in der Zeitschrift Elektronik Nr. 23 vom 13.11.1987, Seiten 115 bis 118, insbesondere Seite 116. Auf den Chip ist bevorzugt eine A/D-Umset­ zung, ein Mikrocomputer oder Mikroprozessor und ein Stromversorgungsbau­ stein integriert. Im Mikrocomputer und Mikroprozessor können neben Zähl- und Rechenvorgängen auch Berechnungen abgeleiteter Größen erfol­ gen. Dies gilt für die Umrechnung von Meßgrößen aber auch für Null­ punkt-Korrekturen. Die Ausgabe und Speicherung von Meßwerten ist selbst­ verständlich.

Die Auswerteelektronik ist direkt mit den Metallelektrodenschichten 5 in den V-Gruben elektrisch verbunden. Die gesamte Anordnung samt Auswerte­ elektronik ist einheitlich und staubdicht bevorzugt auch gasdicht ver­ packt. Falls ein Zug- oder Stoßelement mit dem beweglichen Teil 2 ver­ bunden ist, kann dieses aus der Packung herausragen.

Anwendungen der Erfindung sind in der Robotik, bei Maschinensteuerungen und anderen Anwendungen der Wegemessung im angegebenen Bereich.

Claims (1)

1. Kapazitiver Wegsensor, der zwei Kondensatorplatten und auf Ober­ flächen derselben Elektroden aufweist und unter Anwendung von mikrome­ chanischen Fertigungstechnologien und Ätztechnik hergestellt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Platte aus einem anisotrop ätzbaren Halbleitermaterial besteht, in das zwei parallele Führungsnuten einge­ ätzt sind, die zwischen sich auf einer Oberfläche (Bereich) eine in Richtung der geführten Bewegung sich kontinuierlich verjüngende Elektro­ de aufweist, der gegenüberliegend - nur durch einen Spalt getrennt - ei­ ne zweite oder Gegenelektrode auf einer Oberfläche (Bereich) der zweiten im wesentlichen fingerförmigen Platte angeordnet ist, die mittels kor­ respondierender Führungen in die Nuten im Halbleiterkörper eingreift.