DE4127460C2 - Sensor - Google Patents

Sensor

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Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere zur Aufnahme von Be­ schleunigung, Kraft oder Weg.
Auf dem Gebiet der Kfz-Sensorik werden Sensoren benötigt, die bei hoher Meßgenauigkeit mit möglichst geringem Aufwand hergestellt werden können. Für die Herstellung dieser Sensoren werden Verfahren angewendet, die mit anderen technologischen Fertigungsverfahren gut verträglich sind, damit die Sensorauswerteelektronik nach Möglichkeit auf demselben Träger mit dem eigentlichen Meßwertaufnehmer integriert werden kann. Ein Beispiel für in Kraftfahrzeugen eingesetzten Sensoren sind Beschleuni­ gungssensoren in Airbag-Rückhaltesystemen.
In der DE 37 42 385 A1 und der EP 395 922 A1 sind jeweils Beschleuni­ gungssensoren beschrieben, bei dem eine Kapazitätsänderung gegenüber­ liegender Elektroden gemessen wird. Dabei ist die erste Elektrode auf einem unbeweglichen Grundkörper aufgebracht. Die zweite Elektrode ist an einem Trägheitskörper angebracht, der über Tragebalken bzw. Federn an einem Stützrahmen befestigt ist. Greift an dem Trägheitskörper eine Beschleunigung an, so wird der Abstand der beiden Elektroden verändert.
Die DE 38 90 305 T1 offenbart einen Kraftmeßwandler mit einer ersten, als Biegebalken dienenden und einseitig eingespannten Platte, auf der eine zweite Platte einseitig befestigt ist. Auf den sich gegenüberliegenden paralle­ len Oberflächen der Platten sind jeweils Elektroden angebracht. Bei Durchbie­ gung der Platten wird eine Abstandsänderung der beiden Elektroden und so­ mit eine Kapazitätsänderung bewirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zu schaffen, der kostengünstig hergestellt und mit dem eine präzise Messung verschiedener physikalischer Größen durchgeführt werden kann. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß umfaßt der Sensor eine erste, einseitig eingespannte, be­ vorzugt ebene Platte, im folgenden Trägerplatte genannt. Auf dieser ist eine zweite Platte, im folgenden Aufnehmerplatte genannt, angebracht, und zwar derart, daß die Aufnehmerplatte durchgebogen ist, so daß zwischen den bei­ den Platten ein Hohlraum vorhanden ist. Auf den innenliegenden Oberflächen der beiden Platten sind dünne Metallschichten aufgebracht. Diese bilden einen Kondensator, dessen Kapazität mit einer geeigneten Meßvorrichtung gemessen werden kann. Die Biegelinie der Aufnehmerplatte ist von der Form eines kosinusförmigen Bogens. Das Aufnahmeprinzip des Sensors beruht auf einer Kapazitätsänderung des durch die beiden Metallschichten gebildeten Kondensators infolge einer von außen aufgezwungenen Durchbiegung der Platten. Der erfindungsgemäße Sensor kann insbesondere als Beschleunigungs-, Kraft- und Feinst-Weg-Sensor angewendet werden. Ein derartiger Sensor kann einschließlich der Auswerteelektronik auch in kleineren Stückzahlen mit geringem Aufwand preiswert gefertigt werden.
Besonders vorteilhaft kann an der Unterseite der Trägerplatte eine weitere Aufnehmerplatte in derselben Weise wie die erste befestigt werden. Dabei be­ finden sich auf den innenliegenden Oberflächen zwei weitere, dünne Metall­ schichten, die einen zweiten Kondensator bilden. Als Material für Träger- und Aufnehmerplatte(n) wird bevorzugt Glas verwen­ det.
Die Erfindung wird anhand konkreter Ausführungen näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Sensor mit einer Aufnehmerplatte,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Signal-Wandlung,
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Sensor mit zwei Aufnehmerplatten,
Fig. 4 eine Auswerteschaltung für den in Fig. 3 dargestellten Sensor,
Fig. 5 die Beschichtungen von Träger- und Aufnehmerplatte.
Fig. 1a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die speziell für die Messung von Beschleunigungen, z. B. für ein Airbag-Rückhaltesystem in einem Kraft­ fahrzeug, ausgelegt ist. Die ebene Trägerplatte TP, hier ein ca. 25 mm langer, 10 mm breiter und 0,5 mm dicker Glasstreifen, ist einseitig eingespannt und dient als klassischer Biegebalken. Auf den gegenüberliegenden Kantenbereichen der Trägerplatte TP ist die Aufnehmerplatte AP1, hier ebenfalls ein Glasstreifen, jedoch nur 0,1 mm dick, derart befestigt, daß diese sich in durchgebogenen Zustand befindet. Der Ab­ stand zwischen den beiden Platten TP, AP1 beträgt im Bereich der größten Durchbiegung maximal etwa 0,1 mm. Bezogen auf die untere, dickere Träger­ platte TP weist die dünnere Aufnehmerplatte AP1 eine annähernd kosinus­ förmige Biegelinie (Eulersche Knickung) auf. Auf den Innenseiten der beiden Platten TP, AP1 ist jeweils eine Metallschicht M1, M2 aufgedampft. Wird nun, wie in Fig. 1b dargestellt, infolge einer Beschleunigung a die Vor­ richtung nach unten gebogen, so vergrößert sich die Kapazität des aus den beiden Metallschichten M1, M2 gebildeten Kondensators, da der Abstand zwi­ schen den Metallschichten M1, M2 verringert wird. In Fig. 1c erfolgt infolge einer Beschleunigung a mit umgekehrtem Vorzeichen eine Durchbiegung nach oben, wodurch der Abstand zwischen den beiden Metallschichten M1, M2 vergrößert und damit die Kapazität verringert wird. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Signalwandlung bei einem er­ findungsgemäßen Sensor. Die aufzunehmende physikalische Größe, z. B. Kraft, Weg, Beschleunigung, wird über die Durchbiegung in einen Kapazitäts­ wert und anschließend in eine elektrische Spannung gewandelt. Nach einer eventuellen Analog/Digital-Wandlung kann der kalibrierte Meßwert mit einer Anzeigevorrichtung ausgegeben werden.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor, bei der zusätzlich zu der in Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung an der Unterseite der Trägerplatte TP eine zwei­ te, ebenfalls durchgebogene Aufnehmerplatte AP2 befestigt ist. An den innen­ liegenden Oberflächen von Trägerplatte TP und der zweiten Aufnehmerplatte AP2 sind zwei weitere dünne metallische Schichten M3, M4 vorhanden, die einen zweiten Kondensator bilden. Bei einer Durchbiegung, z. B. nach oben, ergibt sich nach dem in der Be­ schreibung zu Fig. 1 gesagten eine Verminderung der Kapazität des durch die beiden oberen Metallschichten M1, M2 gebildeten Kondensators C1, jedoch eine Erhöhung der Kapazität des durch die beiden unteren Schichten M3, M4 gebildeten Kondensators C2 (Differentialkondensatorelement). Fig. 4 zeigt eine Auswerteschaltung für diese Vorrichtung. In den Elementen 10, 11 wird jeweils die Kapazität eines der beiden Kondensatoren C1, C2 auf­ genommen und die Signale in der nachgeschalteten Einheit 20 subtrahiert. Das Differenzsignal schließlich wird im Meßinstrument 30 gemessen. Ohne Verbiegung ist das Ausgangssignal demnach gleich Null. Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß die Richtung der Belastung am Vorzei­ chen des Ausgangssignals ablesbar ist, so daß zwischen positiven und negati­ ven Kräften, Verlängerung oder Verkürzung eines Weges sowie zwischen Be­ schleunigung und Verzögerung unterschieden werden kann. Fig. 5 zeigt die geometrischen Strukturen der Beschichtung von Träger- und Aufnehmerplatte, in Fig. 5a für die Trägerplatte TP, in Fig. 5b für eine AP1 der beiden, im allgemeinen identischen Aufnehmerplatten AP1, AP2. Die Länge der Aufnehmerplatten ist etwas kürzer als die Trägerplatte, wodurch Kontak­ tier- oder Bondflächen auf der Trägerplatte frei bleiben. Die Metallschichten M1-M4, die die Kondensatorplatten bilden, haben bevor­ zugt eine Dicke von 100-1000 nm. Als Material wird z. B. Au verwendet. Die­ ser metallische Belag, in der Fig. schwarz gezeichnet, ist auch an den Rand­ bereichen aufgetragen und bildet dort die Lötflächen LF für das Verbinden von Träger- und Aufnehmerplatte. Als Lot wird z. B. ein Lötband mit den Antei­ len In 80%; Pb 15%; Ag 5% verwendet. Zwischen Metallschicht und Substrat befindet sich zusätzlich eine Haftschicht von 20-50 nm Dicke, im Falle von Glassubstrat bevorzugt aus Ti, Gr oder Ni, Cr. Darüber hinaus kann zwischen Metallschicht und Haftschicht eine Diffusions­ sperrschicht mit einer Dicke im Bereich zwischen 50-200 nm, bevorzugt aus Pd angeordnet werden.

Claims (4)

1. Sensor, insbesondere zur Aufnahme von Beschleunigung, Kraft oder Weg, mit
  • - einer ersten, als Biegebalken dienenden einseitig eingespannten Plat­ te (TP),
  • - einer zweiten Platte (AP1), die auf der ersten Platte (TP) befestigt ist, so daß zwischen den beiden Platten (TP, AP1) ein Hohlraum vorhan­ den ist;
  • - zwei dünnen Metallschichten (M1, M2), die sich auf den innenliegen­ den Oberflächen der beiden Platten (TP, AP1) befinden, wobei durch eine von außen aufgezwungene Durchbiegung der beiden Platten (TP, AP1) eine Kapazitätsänderung der durch die beiden Metallschich­ ten gebildeten Leiteranordnung bewirkt wird;
  • - einer Vorrichtung zur Messung der Kapazität der von den beiden Metallschichten (M1, M2) gebildeten Leiteranordnung; dadurch gekennzeichnet, daß die die zweite Platte (AP1) im durchge­ bogenen Zustand auf der ersten Platte (TP) befestigt ist, wobei die Biegeli­ nie der zweiten Platten (AP1) angenähert von der Form eines kosinusför­ migen Bogens ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unter­ seite der ersten Platte (TP) eine dritte Platte (AP2) im durchgebogenen Zustand befestigt ist, so daß zwischen diesen beiden Platten (TP, AP2) ebenfalls ein Hohlraum vorhanden ist, wobei sich auf den innenliegenden Oberflächen zwei weitere dünne Metallschichten (M3, M4) befinden und die Biegelinie der dritten Platte (AP2) angenähert von der Form eines kosinusförmigen Bogens ist.
3. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Platte (TP) aus Glas ist.
4. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite (AP1) und/oder die dritte Platte (AP2) aus Glas ist.
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