DE4102805A1 - Kapazitiver beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gat­ tung des Hauptanspruchs.

In der DE-OS 38 14 950 wird ein Beschleunigungssensor beschrieben, dessen Gehäuse aus einzelnen Schichten aus keramischem Material her­ gestellt ist. Aus diesem Material besteht auch eine in dem Sensor­ gehäuse angeordnete, an Biegefedern aufgehängte, seismische Masse, auf deren Ober- und Unterseite dehnungsempfindliche Sensorwider­ stände in Dickschichttechnik aufgebracht sind. In dieser Schrift werden ferner zwei Standard-Dickschicht-Verfahren, die Greensheet- Technologie und das Aufglasen oder Verkleben von fertiggesinterten Keramikformteilen, zum Aufbau des Sensorgehäuses beschrieben. Auch das Aufdrucken von Schaltungselementen, wie Widerständen oder Leiterbahnen, in Dickschichttechnik ist aus dieser Schrift bekannt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß auftretende Beschleunigungen als Kapazitätsänderungen erfaßt werden und durch eine geeignete elektronische Auswerteschaltung in ein beschleuni­ gungsproportionales Signal umgesetzt werden. Wegen der sehr empfind­ lichen kapazitiven Auswertung ist zum einen ein großer Meßeffekt erzielbar; zum anderen ist über die steifigkeit der Biegefedern, an denen die seismische Masse aufgehängt ist, eine große Eigenresonanz­ frequenz einstellbar, was zu einer großen Meßbrandbreite für Beschleunigungen führt. Eine geeignete Dämpfung des Systems, zum Beispiel aperiodisch, wird durch ein zwischen den Platten befind­ liches Medium, wie vorzugsweise trockene Luft, erzielt. Der Dämpfungsgrad wird auch über den Druck des eingeschlossenen Mediums eingestellt, wobei die Dämpfung mit dem Druck zunimmt. Vorteilhaft ist auch, wenn die Verkapselung des Sensors bei Umgebungsdruck erfolgt, evtl. bei hohen Temperaturen, so daß keine gesonderte Evakuierung bzw. Füllung erforderlich ist. Luftdämpfung weist einen nur geringen Temperaturgang auf und bietet zusätzlich Überlastschutz gegen Stöße. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist, daß sämtliche mechanischen Komponenten sowie ein großer Teil der zur Erfassung und Auswertung des Meßsignals erforderlichen elektro­ nischen Schaltung einfach mit Standardverfahren der Dickschicht­ technik und damit relativ billig herstellbar sind. Die Hybrid­ integrierbarkeit von Sensor und Auswerteschaltung führt zu einer störunempfindlichen Signalauswertung. Vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist, daß das Sensorgehäuse sowie sämtliche mechanischen Komponenten aus demselben Material hergestellt sind, so daß Störein­ flüsse durch eine mechanische Verformung des Sensorgehäuses, ins­ besondere durch Temperatureinflüsse, weitgehend vermieden werden. Dies führt außerdem zu einer guten Langzeitstabilität des Sensors. Ein weiterer Vorteil ist, daß der erfindungsgemäße Sensor einen gekapselten Aufbau hat und damit relativ verschmutzungsunempfindlich ist. Gleichzeitig dient das Gehäuse auch als Überlastschutz für die an Biegefedern aufgehängte seismische Masse, da es eine mechanische Begrenzung der Auslenkungen bei zu hohen Beschleunigungen sowie gegenüber suerbeschleunigungen darstellt. Eine Beschädigung der Biegefedern, insbesondere ein Bruch, wird dadurch verhindert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Maßnahmen möglich.

So läßt sich mit Hilfe einer Differentialkondensatoranordnung auf einfache und vorteilhafte Weise eine Verstärkung und Linearisierung des Meßsignals erzielen. Mit einer spiralförmigen Ausgestaltung der Biegefedern läßt sich die Federkonstante und damit die Empfindlich­ keit des Sensors vorteilhaft variieren. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Ausgestaltung der seismischen Masse mit Durchgangs­ bohrungen, da dadurch der Gasaustausch im Sensorhohlraum beeinfluß­ bar ist. Die Dämpfung des schwingungsfähigen mechanischen Systems ist über den Abstand und die Größe der Durchgangsbohrungen in weiten Grenzen variierbar.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 die perspektivische Darstellung der den Sensoraufbau bilden­ den Schichten vor dem Zusammensetzen und Fig. 2 den Schnitt durch einen Sensor.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors dargestellt, der eine Grundplatte 10, eine Mittelplatte 20 und eine Deckplatte 30 aufweist. Die Platten 10, 20 und 30 sind aus einem keramischen Material, beispielsweise aus gesinterten Keramikformteilen. Die Dicke der Grundplatte 10 und der Deckplatte 30 liegt im Bereich von 630 µm. Die Mittelplatte 20 ist wesentlich dünner ausgebildet; ihre Dicke beträgt ungefähr 250 µm. Aus der Mittelplatte 20 ist in einem mittleren Bereich eine an Biegefedern 26 aufgehängte seismische Masse 25 strukturiert. Die seismische Masse 25 in diesem Beispiel ist scheibenförmig, rund ausgebildet, sie kann aber auch jede andere geeignete Form haben. Die Biegebalken 26 sind spiralförmig um die seismische Masse 25 an­ geordnet. Diese spezielle Ausführungsform ermöglicht relativ große Auslenkungen der seismischen Masse 25 senkrecht zu den Schicht­ ebenen. Die Geometrie der Biegefedern kann je nach Anwendungsgebiet und gewünschter Steifigkeit der Aufhängung der seismischen Masse 25 gewählt werden. Die seismische Masse 25 weist Durchgangsbohrungen 27 auf. Durch die Anzahl, den Abstand und die Größe der Bohrungen 27 kann der Gasaustausch zwischen Ober- und Unterseite der seismischen Masse 25 variiert werden und somit die Dämpfung der seismischen Masse 25 in dem abgeschlossenen Sensorhohlraum in weiten Grenzen eingestellt werden. Die Strukturierung der Mittelplatte 20 kann durch Laserschnitte oder andere geeignete Strukturierungsverfahren erzeugt werden. Auf die Ober- und die Unterseite der seismischen Masse 25 sind jeweils eine Elektrode 21 und 22 aufgebracht, von denen nur die Elektrode 22 in Fig. 1 dargestellt ist. Gegenüber den Mittelelektroden 21 und 22 sind auf der Grundplatte 10 und auf der Deckplatte 30 jeweils Elektroden 12 und 32 angeordnet. Mit 13 ist eine strukturiert auf die Grundplatte 10 aufgebrachte Glasdick­ schicht bezeichnet. Eine entsprechende in Fig. 1 nicht dargestellte Glasdickschicht 33 ist auf der der Mittelplatte 20 zugewandten Ober­ fläche der Deckplatte 30 aufgebracht. Über die Glasdickschichten 13 und 33 werden die Grundplatte 10, die Mittelplatte 20 und die Deck­ platte 30 miteinander verglast. Durch die spezielle Strukturierung der Glasdickschichten 13 und 33, d. h. durch die Ausnehmungen in den Glasdickschichten 13 und 33 im Bereich der Elektroden 12, 21, 22 und 32 und der Biegefedern 26, entsteht beim Verglasen der Platten 10, 20 und 30 ein Hohlraum um die seismische Masse 25 und die Biege­ federn 26. Als Verbindungsdickschicht 13 und 33 können auch anderer geeignete Dickschichten verwendet werden. Bei einem Aufbau des Sensorelementes in Dickschichttechnik ist es sinnvoll, die Elektro­ den 12, 21, 22 und 32 ebenfalls in Dickschichttechnik, d. h. durch im Siebdruckverfahren strukturiert aufgebrachte Dickschichtpasten und anschließendes Brennen, aufzubringen.

Die Elektroden 12 und 21 sowie 22 und 32 bilden eine Differential­ kondensatoranordnung. Wirkt eine Beschleunigung senkrecht zu den Schichtebenen auf die seismische Masse 25, so wird diese senkrecht zu den Schichtebenen ausgelenkt. Dadurch werden die Kapazitäten der durch die Elektrode 12 und 21 und die Elektrode 22 und 32 gebildeten Kondensatoren C1, C2 gegenläufig verändert. Dadurch wird der Meß­ effekt erhöht. Die Durchgangsbohrungen 27 in der seismischen Masse 25 verringern zudem die Dämpfung, die die seismische Masse durch ein im Sensorhohlraum eingeschlossenes Dämpfungsfluid, was im ein­ fachsten Falle Luft ist, erfährt. Die Kapazitätsänderungen von C1 und C2 können durch eine geeignete elektronische Auswerteschaltung in ein beschleunigungsproportionales Signal umgesetzt werden.

Fig. 2 veranschaulicht den Mehrlagen-Dickschichtaufbau des Sensors. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Abstände der Grundplatte 10 zur Mittelplatte 20 und der Deckplatte 30 zur Mittelplatte 20 gleich gewählt. Diese Abstände werden definiert durch die Dicke der Glas­ dickschichten 13 und 33. Fig. 2 veranschaulicht außerdem, daß der durch die Ausnehmungen in den Dickschichten 13 und 33 gebildete Sensorhohlraum durch die Mittelplatte 20 bzw. durch die aus der Mittelplatte strukturierte seismische Masse 25 und die Biegefedern 26, in einen Teilraum oberhalb der seismischen Masse 25 und in einen zweiten Teilraum unterhalb der seismischen Masse 25 aufgeteilt ist. Sowohl durch die Bereiche zwischen den Biegefedern 26 als auch durch die Bohrungen 27 in der seismischen Masse 25 ist ein Dämpfungsfluid­ austausch zwischen dem ersten und dem zweiten Teilraum des Sensor­ hohlraumes möglich. Mit 42 ist eine Kontaktierung der Elektrode 32 bezeichnet. Das Kontaktieren der Elektroden 12, 21, 22 und 32 kann durch in Bohrungen in den Keramikplatten 10, 20 und 30 eingebrachtes Kontaktiermaterial erfolgen. Auf das Sensorgehäuse sind ferner Teile der Auswerteschaltung 41 aufgebracht. Auch dies erfolgt sinnvoller Weise in Dickschichttechnik.

Heben der Schnittzeichnung des Sensors in Fig. 2 ist die Schal­ tungsanordnung des Sensorelementes als Differentialkondensator schematisch dargestellt. So läßt sich die Kapazität C1 zwischen den Punkten 1 und 2 erfassen und die Kapazität C2 zwischen den Punkten 2 und 3.

Claims (9)

1. Sensor zur Messung von Beschleunigungen, der aus mehreren Schichten von keramischen Bauteilen in Dickschichttechnologie aufgebaut ist, mit mindestens einem Sensorhohlraum, in dem eine scheibenförmige seismische Masse an Biegefedern aufgehängt ist, und mit Mitteln zur Erfassung von Auslenkungen der seismischen Masse senkrecht zu den Schichtebenen des Sensoraufbaus, dadurch gekenn­ zeichnet,

• - daß der Sensoraufbau eine Grundplatte (10), eine Mittelplatte (20) und eine Deckplatte (30) aufweist, die in definierten Abständen zueinander aufeinander aufgebracht sind,
• - daß die seismische Masse (25) und die Biegefedern (26) aus der Mittelplatte (20) strukturiert sind,
• - daß auf mindestens eine der Grundplatte (10) und/oder der Deck­ platte (30) zugewandten Oberfläche der seismischen Masse (25) mindestens eine Mittelelektrode (21, 22) aufgebracht ist,
• - daß auf der der mindestens einen Mittelelektrode (21, 22) zuge­ wandten Oberfläche der Grundplatte (10) und/oder der Deckplatte (30) mindestens eine weitere Elektrode (12, 32) aufgebracht ist, die zusammen mit der mindestens einen Mittelelektrode (21, 22) mindestens einen Plattenkondensator (C₁, C₂) bildet,
• - und daß Auslenkungen der seismischen Masse (25) als Kapazitäts­ änderungen des mindestens einen Kondensators (C₁, C₂) erfaßt werden.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mindestens zwei beidseitig auf der seismischen Masse angeordnete Mittelelektroden (21, 22) zusammen mit den ihnen gegenüber auf der Grundplatte (10) und der Deckplatte (30) ange­ ordneten weiteren Elektroden (12, 32) eine Differentialkondensa­ toranordnung bilden.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelelektrode (21, 22), die weiteren Elektroden (12, 32) und die Kontaktierungen der Elektroden (12, 21, 22, 32) durch im Siebdruck­ verfahren aufgebrachte und anschließend gebrannte Dickschichtpasten realisiert sind und daß Teile der Auswerteschaltung (41) auf dem Sensoraufbau angeordnet sind.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die seismische Masse (25) an spiralfömig in der Ebene der Mittelplatte (20) ausgebildeten Biegefedern (26) aufgehängt ist.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die seismische Masse (25) Durchgangsbohrungen (27) aufweist.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittelplatte (20) durch Laserschnitte struktu­ riert ist.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Grundplatte (10) mit der Mittelplatte (20) und die Mittelplatte (20) mit der Deckplatte (30) über im Siebdruckverfahren strukturiert aufgebrachte Dickschichten (13, 33), vorzugsweise Glas­ dickschichten verbunden sind, wobei die Dicke der Dickschichten (13, 33) den Abstand zwischen der Grundplatte (10) und der Mittelplatte (20) sowie zwischen der Mittelplatte (20) und der Deckplatte (30) bestimmt und der Sensorhohlraum durch das Fehlen der Dickschichten (13, 33) im Bereich der Elektroden (12, 21, 22, 32) und der Biege­ federn (26) ausgebildet ist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand zwischen der Grundplatte (10) und der Mittelplatte (20) genauso groß ist wie der Abstand zwischen der Mittelplatte (20) und der Deckplatte (30).

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich in dem Sensorhohlraum ein Dämpfungsfluid, vor­ zugsweise Luft, befindet.