DE4106932A1

DE4106932A1 - Neigungssensor

Info

Publication number: DE4106932A1
Application number: DE4106932A
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Dr Zabler; Joerg Dipl Ing Dr Wolf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-03-05
Filing date: 1991-03-05
Publication date: 1992-09-10
Also published as: JPH04328415A; US5261279A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Erfassung von Neigungs winkeln bezüglich einer bestimmten Drehachse senkrecht zur Richtung des Schwerefeldes nach der Gattung des Hauptanspruchs.

In der DE-OS 36 04 216 wird ein Sensor zum selbsttätigen Auslösen von Insassenschutzvorrichtungen bei einem Unfall beschrieben. Im Mittel punkt des Innenraumes des Sensorgehäuses ist an einer Halterung bzw. einem Lager ein Pendel mit einer seismischen Masse befestigt. Der Innenraum ist vollständig mit einem Dämpfungsmedium gefüllt. Die Form des Innenraumes und die Materialien des Pendels und des Dämp fungsmediums sind so gewählt, daß bei einer Rotation des Gehäuses um den Aufhängungspunkt des Pendels das Dämpfungsmedium um das Pendel praktisch absolut in Ruhe bleibt und die Reibung bei der Bewegung des Pendels relativ zum Dämpfungsmedium zu einer aperiodischen Dämpfung des Pendels führt.

Aus Sensors and Actuators, 20 (1989) 49-55, "IC-processed Electro static Synchronous Micromotors" sind elektrostatisch betriebene Mikromotoren bekannt mit einem auf einer Habe gelagerten Rotor und ringförmig um den Rotor angeordneten Statoren. In dieser Schrift werden Verfahren zur Herstellung solcher Motoren in Oberflächen mikromechanik beschrieben, insbesondere als Oberflächen-Polysili zium-Strukturen.

In ETZ Band 111 (1990) Heft 20, Seite 1080, "Bewegliche Mikrostruk turen" wird eine Mikroturbine und deren Herstellung in Liga-Technik beschrieben.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Neigungssensor mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß er sich mikro mechanisch, z. B. in Form von Oberflächen-Polysilizium-Strukturen oder auch durch in Liga-Technik erzeugte Metall- oder Kunststoff strukturen realisieren läßt. Die Technologie der Mikromechanik ermöglicht eine kostengünstige Massenfertigung des erfindungsgemäßen Neigungssensors mit einer sehr geringen Größe. Die Ausgestaltung des Sensorpendels als asymmetrischer Rotor, dessen Drehachse parallel zur interessierenden Achse orientiert ist, ist besonders vorteil haft, da seine Funktionsweise der eines tief abgestimmten Pendels entspricht und gut dazu geeignet ist, Störbeschleunigungen zu unter drücken. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, daß Neigungen im Schwerefeld, durch die der Rotor eine Drehung aus seiner Ruhelage erfährt, kapazitiv also berührungslos, abgegriffen werden. Durch die räumliche Ausgestaltung der zur Signalerfassung dienenden Kondensatoranordnung ist die Empfindlich keit des Sensors beeinflußbar. Dabei wirkt sich die Realisierung des Sensors in Mikromechanik besonders vorteilhaft aus, da in dieser Technologie sehr geringe Abstände zwischen den Kondensatorelektroden realisierbar sind.

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

Besonders vorteilhaft ist es, den Rotor durch eine Zapfenlagerung oder einer Schneidenlagerung aufzuhängen. Die Schneidenlagerung stellt eine besonders reibungsarme und verschleißfreie Aufhängung des Rotors dar. Die Realisierung des erfindungsgemäßen Sensors in Silizium oder zumindest mit einem Siliziumsubstrat hat den Vorteil, daß die Signalverarbeitungselektronik auf dem Sensorchip integrier bar ist. Eine Realisierung in Liga-Technik ist vorteilhaft, da in dieser Technik Strukturen mit Dicken bis zu 1000 µm gefertigt werden können, wodurch Rotoren mit einer relativ großen seismischen Masse herstellbar sind. Es ist von Vorteil, wenn der Innenraum des Sensors vollständig mit einem Dämpfungsmedium gefüllt ist, dessen spezifisches Gewicht sich dermaßen vom spezifischen Gewicht des Rotors unterscheidet, daß die Reibung bei der Bewegung des Rotors relativ zum Dämpfungsmedium zu einer aperiodischen Dämpfung des Rotors führt, so daß Resonanzerscheinungen unterdrückt werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1a den Schnitt durch einen Sensor in der Rotorebene, die Fig. 1b eine Rotorlagerung vergrößert, Fig. 2 den Schnitt durch einen weiteren Sensor in der Rotorebene und Fig. 3 eine Auswerteschaltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1a ist mit 30 ein Sensorgehäuse bezeichnet. Das Sensorge häuse 30 ist hier nur schematisch dargestellt. Im Rahmen der Erfin dung liegen alle Ausgestaltungen eines Sensorgehäuses, die einen ab geschlossenen Innenraum aufweisen. In Fig. 1a ist mit 31 ein Sub strat bezeichnet, das beispielsweise eine Wand des Sensorgehäuses 30 bilden kann oder im Innenraum des Sensorgehäuses angeordnet sein kann und fest mit dem Sensorgehäuse 30 verbunden ist. Auf das Sub strat 31 aufgebracht und fest mit diesem verbunden ist eine Halte rung 25, über der ein Rotor 10 mit Rotorflügeln 11 und 12 über einen Durchbruch 13 aufgehängt ist. Den Rotor umgebend, auf das Substrat 31 aufgebracht und fest mit diesem verbunden ist eine sockelartige Umrandung 20, die durchbrochen ist und sich aus Teilumrandungen 21, 22 und 23 zusammensetzt. Der Rotor 10 in diesem Ausführungsbeispiel ist aus einer kreisförmigen Scheibe gebildet, aus der Segmente derart ausgeschnitten sind, daß der Durchbruch 13 um den Kreis mittelpunkt angeordnet ist und daß zwei unterschiedlich große Rotor flügel 11, 12 ausgebildet sind, so daß der Rotor asymmetrisch ist. Bei einer Orientierung der Rotorachse senkrecht zum Schwerefeld richtet sich der Rotor 10 so aus, daß sein Schwerpunkt unterhalb der Halterung 25 liegt. Die Rotorachse, die der Drehachse des Sensors entspricht, wird parallel der Achse ausgerichtet, um die Neigungen erfaßt werden sollen. Bei Neigungen im Schwerefeld erfährt der Rotor eine Drehung, die erfindungsgemäß kapazitiv erfaßt wird. Die Rotor flügel 11 und 12 dienen jeweils als eine Elektrodenseite einer Kondensatoranordnung deren andere Elektrodenseiten durch die Teil umrandungen 21, 22 und 23 der Umrandung 20 gebildet werden. Durch elektrische Kontaktierung der Teilumrandungen 21, 22 und 23 kann die Auslenkung des Rotors 10 berührungslos abgegriffen werden. Je nach dem Material, aus dem der Rotor 10 und die Umrandung 20 strukturiert sind, können entweder die Gesamtstrukturen als Elektroden dienen, wie z. B. bei Polysilizium-Strukturen und Metall-Strukturen, oder nur Teile des Rotors 10 und der Umrandung 20, wie z. B. bei einer Reali sierung in Kunststoff, bei der eine Beschichtung der als Kapazitäten dienenden Oberflächen notwendig ist. Um Resonanzerscheinungen und signalverfälschende Schwingungsbewegungen des Rotors so unterbinden, ist der Innenraum des Sensors vollständig mit einem Dämpfungsmedium gefüllt. Zur Dämpfung kann entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet werden. Wesentlich ist, daß das spezifische Gewicht des Dämpfungsmediums sich vom spezifischen Gewicht des Rotors 10 so unterscheidet, daß die Eigenfrequenz des Pendels möglichst niedrig ist und daß die Reibung bei der Bewegung des Rotors 10 relativ zum Dämpfungsmedium zu einer aperiodischen Dämpfung des Rotors 10 führt. Die Form und das spezifische Gewicht des Rotors bestimmen also in Verbindung mit der gewünschten Dämpfung die Auswahl eines Dämpfungs mediums mit geeigneter Viskosität und Dichte. Die in Fig. 1a dar gestellte Sensorstruktur läßt sich beispielsweise mit einem Sili ziumwafer als Substrat 31 und darauf aufgebrachten Polysili zium-Strukturen realisieren. Dies hat den Vorteil, daß sich die Signalverarbeitungselektronik des Sensors auf dem mikromechanischen Sensorchip integrieren läßt. Mit der dabei verwendeten Polysili zium-Technologie lassen sich aber nur Rotoren mit einer Dicke von ca. 2 µm herstellen. Diese Rotoren weisen nur eine geringe seis mische Masse auf, was den Meßeffekt relativ gering hält. Bei einer Realisierung der Sensorstruktur in Liga-Technik kann die Sensor struktur aus Metall, wie z. B. Nickel, oder auch aus Kunststoff, wie z. B. Resist, gefertigt sein. Diese Strukturen können auf prozessier te Siliziumwafer abgeformt sein, so daß auch hier für die Signal verarbeitungselektronik kein zusätzlicher IC erforderlich ist. Mit dieser Technik lassen sich Rotordicken von bis zu 1000 µm erzielen. Bedingt durch die erhöhte seismische Masse des Rotors 10 ist bei solchen Sensoren der Meßeffekt größer als bei den in Polysilizium realisierten Sensoren.

Fig. 1b ist ein Ausschnitt aus Fig. 1a und stellt die Lagerung des Rotors 10 vergrößert dar. Die Halterung 25 ist hier schneidenförmig ausgebildet; sie weist eine spitze Kante auf. Auch der Querschnitt des Durchbruchs 13 weist einen Winkel auf, in dem der Rotor 10 auf der spitzen Kante der Halterung 25 aufsitzt. Diese Schneidenlagerung des Rotors 10 ist besonders reibungsarm und verschleißfrei.

Die in Fig. 2 dargestellte Sensorstruktur entspricht im wesentli chen der in Fig. 1a dargestellten Sensorstruktur, weshalb gleiche Strukturelemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Der Unterschied des in Fig. 2 dargestellten Sensors zu dem in Fig. 1a dargestellten Sensor besteht in der Art der Lagerung. Die Halterung 25 ist hier durch einen Stift mit einem runden Querschnitt gebildet. Entsprechend ist auch der Durchbruch 13 im Rotor 10 rund ausge bildet. Die Querschnitte der Halterung 25 und der Bohrung 13 können beispielsweise auch oval ausgebildet sein. Diese Zapfenlagerung stellt eine weitere Möglichkeit der Rotoraufhängung dar.

In Fig. 3 ist eine einfache Verschaltung der durch die in den Fig. 1a und 2 dargestellten Sensorstrukturen realisierte Kondensator anordnung schematisch dargestellt. Die beiden Teilumrandungen 21 und 22 bilden jeweils zusammen mit dem Rotorflügel 12 die Kapazitäten C1 und C2. Die Teilstruktur 21 ist auf ein Potential U+ und die Teil struktur 22 auf ein Potential U- gelegt. Der Rotorflügel 11 bildet zusammen mit der Teilumrandung 23 einen Kondensator CK. Zu beachten ist, daß die Rotorflügel 11 und 12 auf gleichem Potential liegen und als bewegliche Teile nicht von der Auswerteschaltung kontaktiert werden. Eine Verstimmung der Kondensatoranordnung durch eine Drehung des Rotors 10 kann an der Teilumrandung 23 abgegriffen werden und wird in der in Fig. 3 dargestellten Auswerteschaltung über einen Verstärker V geleitet.

Claims

1. Sensor zur Erfassung von Neigungswinkeln bezüglich einer bestimmten Drehachse senkrecht zur Richtung des Schwerefeldes mit einem durch ein Gehäuse abgeschlossenen Innenraum, in dessen Mittelbereich sich eine bezüglich des Gehäuses feste Halterung befindet, und mit einer seismischen Masse, die schwingungsfähig an der festen Halterung aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß die seismische Masse als ein bezüglich der Halterung (25) asymmetrischer Rotor (10) ausgebildet ist,
- daß der Rotor (10) um eine durch die Halterung (25) bestimmte Achse auslenkbar ist,
- daß Teile (11, 12) des Rotors (10) Elektroden einer Kondensator anordnung bilden,
- daß rund um den Rotor (10), parallel zu der durch die Halterung (25) bestimmten Achse eine bezüglich des Gehäuses (30) feste Um randung (20) angeordnet ist
- und daß Teile (21, 22, 23) der Umrandung (20) die Gegenelektroden der Kondensatoranordnung bilden.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Halterung (25) als ein zumindest einseitig mittelbar mit dem Gehäuse (30) fest verbundener Stift ausgebildet ist,
- daß der Rotor (10) einen Durchbruch (13) aufweist, dessen Quer schnitt größer als der Querschnitt des Stiftes (25) ist,
- und daß der Rotor (10) über den Durchbruch (13) auf den Stift (25) gesteckt ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Stift (25) einen runden oder ovalen Querschnitt aufweist.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Stift (25) einen Querschnitt mit zumindest einem vorzugs weise spitzen Winkel aufweist
- und daß der Querschnitt des Durchbruchs (13) zumindest einen Win kel aufweist, so daß der Durchbruch (13) zusammen mit dem Stift (25) ein Schneidenlager für den Rotor (10) bildet.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet,

- daß der Rotor (10) aus einer kreisförmigen Scheibe gebildet ist, aus der Segmente derart ausgeschnitten sind, daß der Durchbruch (13) um den Kreismittelpunkt angeordnet ist und daß ein oder meh rere Rotorflügel (11, 12) ausgebildet sind, so daß sich der Schwerpunkt des Rotors (10) in Ruheposition des Sensors unterhalb der Halterung (25) befindet.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet,

- daß die Umrandung (20) Durchbrüche aufweist, so daß Teil-Umran dungen (21, 22, 23) ausgebildet sind.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet,

- daß die Halterung (25) und die Umrandung (20) auf ein Substrat (31) aufgebracht sind, das fest mit dem Gehäuse (30) verbunden ist.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Substrat (31) ein Siliziumwafer ist, auf den eine Folge von dünnen Schichten, insbesondere Siliziumoxidschichten und Polysiliziumschichten, aufgebracht ist,
- und daß der Rotor (10), die Halterung (25) und die Umrandung (20) aus der Folge von dünnen Schichten mit Verfahren der Oberflä chen-Mikromechanik herausstrukturiert sind und zumindest teilwei se aus Polysilizium bestehen.

9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Rotor (10), die Halterung (25) und die Umrandung (20) aus einem Metall oder einem Kunststoff in Liga-Technik strukturiert sind.

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Rotor (10), die Halterung (25) und die Umrandung (20) auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht sind.

11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet,

- daß der Innenraum des Sensors vollständig mit einem Dämpfungsme dium gefüllt ist.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

- daß das spezifische Gewicht des Rotors (10) sich vom spezifischen Gewicht des Dämpfungsmediums so unterscheidet, daß die Reibung bei der Bewegung des Rotors (10) relativ zum Dämpfungsmedium zu einer aperiodischen Dämpfung des Rotors (10) führt.