DE4244560A1 - Verfahren zum Erfassen von Beschleunigung und Beschleunigungssensor - Google Patents

Verfahren zum Erfassen von Beschleunigung und Beschleunigungssensor

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Mikio Matsuzaki
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von einer Beschleunigung wie Kraft, Beschleunigung und Magnetismus, und einen Beschleunigungssensor, sowie insbesondere einen Beschleunigungssensor mit einer automatischen Diagnosefunktion des Beschleunigungssensors.
In bekannter Weise ist bisher die Kraft, Beschleunigung und Magnetismus und dergleichen eines sich dreidimensional bewegenden Objektes, wie eines Robotors und eines Flugzeugs, und eines sich in einer zweidimensionalen Ebene bewegenden Objekts, wie ein Fahrzeug, erfaßt worden und zur Steuerung der Bewegung des Objekts oder unterschiedlicher Anlagen auf dem Objekt verwendet worden. Da allerdings die bekannten Kraft-, Beschleunigungs- und andere ähnliche Sensoren durch Kombination einer Vielzahl von Sensoreinheiten zur Erfassung jeweils einer eindimensionalen Beschleunigung angeordnet wurden, um dadurch eine dreidimensionale Beschleunigung zu erfassen, gab es verschiedene Nachteile, in dem zur Montage des Beschleunigungssensors ein großer Platz erforderlich war und dieser Platz beschränkt war.
Aus diesem Grund ist ein sehr kompakter zweidimensionaler Beschleunigungssensor vorgeschlagen worden, in dem Widerstandsbauteile auf einem Halbleitersubstrat gebildet sind, wobei die Widerstandsbauteile einer mechanischen Deformation durch die Wirkung der Beschleunigung, Magnetismus oder dergleichen unterworfen werden, und diese mechanische Deformation in Form einer Änderung der Widerstandsbauteile erfaßt wurde. Beispielsweise offenbart die japanische offengelegte Patentanmeldung Nummer 2535/1991 eine Vorrichtung zur Erfassung einer dreidimensionalen Kraft, Beschleunigung und Magnetismus unter Verwendung von Widerstandsbauteilen.
Im folgenden wird unter Bezug auf die Figuren ein bekanntes Beispiel für den Aufbau des Beschleunigungssensors unter Verwendung von Widerstandsbauelementen dargestellt, wie es in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nummer 2535/1991 offenbart ist.
Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht der Struktur eines Beschleunigungssensors. Eine Kerneinheit dieses Sensors wird durch ein Halbleiterpellet 100 gebildet. Eine Draufsicht auf dieses Halbleiterpellet 100 ist in Fig. 11 dargestellt. Der Querschnitt des Halbleiterpellet 100 ist im Zentralbereich der Fig. 10 dargestellt und entspricht einem Schnitt entlang der X-Achse aus Fig. 11. Dieses Halbleiterpellet 100 ist in drei Bereiche aufgeteilt, einen wirkenden Bereich 111, einen flexiblen Bereich 112 und einen Festbereich 113, welche in dieser Reihenfolge von innen nach außen angeordnet sind. Wie durch die unterbrochene Linie in Fig. 11 dargestellt, ist ein ringförmige Nut in der Unterseite des flexiblen Bereichs 112 gebildet. Aufgrund dieser Nut weist der flexible Bereich 112 eine geringere Dicke auf und ist auf diese Weise mit der Flexibilität ausgestattet. Demgemäß, wenn eine Kraft auf den wirkenden Bereich 111 mit fixiertem Festbereich 113 ausgeübt wird, krümmt sich der flexible Bereich 112 und eine mechanische Deformation tritt auf. Auf der oberen Fläche des flexiblen Bereichs 112 sind Widerstandsbauteile RX1-RX4, RY1-RY4 und RZ1-RZ4 mit vorbestimmter Orientierung gemäß Fig. 11 gebildet.
Nach Fig. 10 ist eine Gewichtsmasse 120 an der Unterseite des wirkenden Bereichs 111 angeordnet, während ein Sockel 130 an der unteren Fläche des fixierten Bereichs 113 angebracht ist. Die Unterseite des Sockels 130 ist mit der inneren Unterseite einer Verkleidung 140 verbunden. Das Halbleiterpellet 100 und die Gewichtsmasse 120 werden durch diesen Sockel 130 abgestützt. Die Gewichtsmasse 120 ist im Inneren aufgehängt. Das Gehäuse 140 wird durch eine Abdeckung 141 bedeckt. Kontaktpads 114, die auf dem Halbleiterpellet 100 angeordnet sind, sind elektrisch mit den entsprechenden Widerstandselementen innerhalb des Pellets verbunden. Diese Kontaktpads 114 und Zuführdrähte 142 sind auf beiden Seiten des Gehäuses 140 angeordnet und miteinander durch Kontaktdrähte 115 verbunden.
Erfährt dieser Sensor eine Beschleunigung, wirkt eine äußere Kraft auf die Gewichtsmasse 120. Diese äußere Kraft wird auf den wirkenden Bereich 111 übertragen und eine mechanische Deformation tritt in dem flexiblen Bereich 112 auf. Als Ergebnis tritt eine Änderung im elektrischen Widerstand der Widerstandsbauteile auf, wobei diese Änderung von der Außenseite über die Kontaktdrähte 115 und die Zuführungsdrähte 142 abrufbar ist. Die Komponenten in X-Achsenrichtung der an den wirkenden Bereich 111 angelegten Kraft, die Komponente in Y-Richtung und die Komponente in Z-Richtung werden durch die Änderung des elektrischen Widerstands der Widerstandsbauteile RX1-RX4, der Widerstandsbauteile RY1-RY4 und der Widerstandsbauteile RZ1-RZ4 erfaßt.
Es sei angemerkt, daß das Verfahren zur Herstellung des vorstehend erwähnten Halbleiterpellets im Detail in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nummer 253511991 beschrieben ist. Da dies nicht ein Anliegen des erfindungsgemäßen Gegenstandes ist, wird an dieser Stelle auf eine Beschreibung verzichtet. Zusätzlich, wenn die Beschleunigungssensoren, wie vorstehend beschrieben, in Massen produziert und verkauft werden, ist es notwendig, einen Dynamiktest im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Beschleunigungssensoren durchzuführen. Aus diesem Grund werden bekannte Beschleunigungssensortests durch Anlegen von Vibrationen an den Beschleunigungssensor durch Verwendung eines Vibrationserzeugungsapparats durchgeführt.
Mit einem Beschleunigungssensor der oben beschriebenen Anordnung ist allerdings ein genaues Einstellen einer Brückenschaltung notwendig, um die Genauigkeit des Sensors zu verbessern. Weiterhin ist es notwendig, Maßnahmen gegen Ausdehnung und Schrumpfen aufgrund einer Temperaturänderung der Widerstandsbauteile zu ergreifen. Folglich ist es schwierig gewesen, einen Beschleunigungssensor anzuordnen, der eine hohe Genauigkeit aufweist.
Zusätzlich ergeben sich Schwierigkeiten bei den Beschleunigungssensortests wie oben beschrieben, da die Vibrationen tatsächlich durch Verwendung eines Vibrationserzeugungsapparats auf den Beschleunigungssensor ausgeübt werden, wodurch bei solchen Tests der Testapparat groß ist und die dynamischen Beschleunigungen, das heißt die Vibrationen, tatsächlich auf den Beschleunigungssensor übertragen werden müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bei dem oben beschriebenen bekannten Verfahren zum Erfassen einer Beschleunigung und bei dem Beschleunigungssensor zu beseitigen, in dem ein ringförmiger, flexibler Bereich auf einem Siliciumsubstrat unter Verwendung einer Mikroverarbeitungstechnik gebildet wird, an welchem in einem zentralen Bereich eine Gewichtsmasse (Abtastmasse) 9 angebracht ist, und wobei ein elektrostatischer Kapazitätsbereich zwischen dem flexiblen Bereich und der Gewichtsmasse gebildet ist, wodurch aufgrund der Änderung in der elektrostatischen Kapazität dieses elektrostatischen Kapazitätbereichs die Beschleunigung abrufbar ist.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bei dem bekannten Verfahren beschriebenen Nachteile durch eine Selbstdiagnose des Beschleunigungssensors auszuräumen, in dem der Beschleunigungssensor mit Selbstdiagnosespulen ausgerüstet ist, wodurch der Beschleunigungssensor in einfacher Weise betätigt werden kann.
Gemäß der Erfindung wird ein technisches Mittel zum Ausräumen eines ersten Nachteils in Form eines Verfahrens zum Beschleunigungsnachweis bereitgestellt, bei dem elektrostatische Kapazitätsbereiche durch einen festen Bereich und eine durch die Beschleunigung bewegte Gewichtsmasse gebildet werden, die elektrostatischen Kapazitätsbereiche an zwei oder mehr Positionen zwischen dem Festbereich und der durch die Beschleunigung bewegten Masse angeordnet sind, die Größen der Veränderung der elektrostatischen Kapazitätsbereiche in Frequenzänderungen durch eine Umwandlungsschaltung umgewandelt werden, die Größe der Bewegung der Elektroden der elektrostatischen Kapazitätsbereiche aufgrund der Frequenz entsprechend zu Änderungen in den elektrostatischen Kapazitätsbereichen berechnet wird und die Beschleunigung aus der Größe der Bewegung erfaßt wird.
Ein technisches Mittel zum Überwinden eines zweiten Nachteils bei der vorliegenden Erfindung ist ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor mit elektrostatischen Kapazitätsbereichen, die in einem Festbereich und einer durch Beschleunigung bewegten Gewichtsmasse gebildet sind und mit einer arithmetischen Einheit zur Berechnung einer Größe einer Bewegung der Gewichtsmasse aufgrund der Änderungen der elektrostatischen Kapazität der elektrostatischen Kapazitätsbereiche und zur Berechnung der Beschleunigung aufgrund der Größe der Bewegung ausgerüstet ist.
Ein technisches Mittel zum Überwinden eines dritten Nachteils bei der vorliegenden Erfindung ist ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor mit einem wirkenden Bereich, einem flexiblen entlang der Peripherie des wirkenden Bereichs gebildeten Bereichs, ein durch drei Abschnitte eines Festbereichs gebildeten Substrats, die entlang der Peripherie des flexiblen Bereichs gebildet sind, einer mit dem wirkenden Bereich verbundenen Gewichtsmasse, auf entsprechenden, gegenüberliegenden Flächen des Festbereichs und der Gewichtsmasse angeordneten Elektroden, bei den Elektroden angeordneten elektrostatischen Kapazitätsbereichen und einer arithmetischen Einheit zur Berechnung der Beschleunigung aufgrund von Änderungen der elektrostatischen Kapazität der elektrostatischen Kapazitätsbereiche.
Ein technisches Mittel zum Überwinden eines vierten Nachteils bei der vorliegenden Erfindung ist ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion, welcher aufweist: einen wirkenden Bereich; einen entlang einer Peripherie des wirkenden Bereichs angeordneten flexiblen Bereichs; einem durch drei Regionen eines Festbereichs gebildeten Substrat, welches entlang einer Peripherie des flexiblen Bereich gebildet ist; einer mit dem wirkenden Bereich verbundenen Gewichtsmasse; auf entsprechenden Oberflächen des fixierten Bereich und der Gewichtsmasse angeordneten Elektroden; bei den Elektroden angeordneten elektrostatischen Kapazitätsbereichen und einer arithmetischen Einheit zur Berechnung einer Beschleunigung aufgrund von Änderungen der elektrostatischen Kapazität der elektrostatischen Kapazitätsbereiche, wobei eine Selbstdiagnosespule auf jedem Tragbereich zum Tragen des wirkenden Bereichs des Beschleunigungssensors vorgesehen ist.
Ein technisches Mittel zum Ausräumen eines fünften Nachteils ist bei der vorliegenden Erfindung ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion, welcher aufweist: einen wirkenden Bereich; einen entlang einer Peripherie des wirkenden Bereichs gebildeten flexiblen Bereich; ein durch drei Regionen eines Festbereichs gebildetes Substrat, welches entlang einer Peripherie des flexiblen Bereichs gebildet ist; eine mit dem wirkenden Bereich verbundene Gewichtsmasse; auf entsprechenden gegenüberliegenden Flächen des fixierten Bereichs und der Gewichtsmasse angeordneten Elektroden; bei den Elektroden angeordneten elektrostatischen Kapazitätsbereichen und einer arithmetischen Einheit zur Berechnung einer Beschleunigung aufgrund von Änderungen der elektrostatischen Kapazität der elektrostatischen Kapazitätsbereiche, wobei eine Selbstdiagnosespule auf einer der Stützbereiche zum Abstützen des wirkenden Bereichs und des Beschleunigungssensors angeordnet ist, während ein magnetisches Material auf der anderen Seite angeordnet ist. Die oben genannten Nachteile werden durch diese Maßnahmen gelöst.
Wird der Sensor beschleunigt, wird eine externe Kraft auf das Gewicht 20 ausgeübt. Diese externe Kraft wird auf den wirkenden Bereich 11 übertragen und eine mechanische Deformation tritt in dem flexiblen Bereich 12 auf. Als Ergebnis ändert sich die Entfernung (Lücke) zwischen den Elektroden X1 und X2, welche an dem Festbereich des Substrats angeordnet sind, und den Elektroden X1 und X2, welche an der Unterseite der Gewichtsmasse 20 in X- und Y-Achsenrichtungen angeordnet sind, so daß die elektrostatische Kapazität zwischen den gegenüberliegenden Elektroden sich ändert. Die Größe der Änderung dx der Entfernung (Lücke) zwischen den gegenüberliegenden Elektroden kann aus der Differenz zwischen den Frequenzen fX1 und fX2 bestimmt werden, welche als Ergebnis der entsprechenden elektrostatischen Kapazitäten CX1 und CX2 auftreten. Zu diesem Zeitpunkt kann die Beschleunigung aus einem vorgegebenen Graphen über Beschleunigung und Größe der Änderung Δdx der Entfernung (Lücke) zwischen den Elektroden bestimmt werden.
Fließt ein vorbestimmter Strom durch die Selbstdiagnosespule A und B, die in dem Beschleunigungssensor angeordnet sind, wird eine magnetische Kraft in den Selbstdiagnosespulen erzeugt und diese stoßen sich ab oder ziehen sich an, abhängig von der Richtung, in der der Strom fließt. Die externe Kraft wird auf den wirkenden Bereich 11 übertragen und eine mechanische Änderung tritt in dem flexiblen Bereich 12 auf. Als Ergebnis ändert sich die Entfernung (Lücke) zwischen den Elektroden, welche an dem Festbereich des Substrats angeordnet sind, und den Elektroden, welche an der Unterseite der Gewichtsmasse 20 in X- und Y-Achsenrichtungen angeordnet sind, so daß die elektrostatische Kapazität zwischen den gegenüberliegenden Elektroden sich ändert. Da die elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden, welche in dem Festbereich des Substrats angeordnet sind, und den Elektroden, welche auf der unteren Fläche der Gewichtsmasse 20 angeordnet sind, im voraus durch den Strom bestimmt werden kann, welcher durch die Selbstdiagnosespulen A und B fließt, kann festgestellt werden, daß keine Anormalität in dem Beschleunigungssensor vorhanden ist, wenn kein Unterschied zwischen der im voraus bestimmten elektrostatischen Kapazität und der tatsächlichen elektrostatischen Kapazität bei einem Vergleich zwischen ihnen auftritt. Wie oben beschrieben, kann in einfacher Weise bestimmt werden, ob der Beschleunigungssensor normal oder anormal arbeitet, in dem ein vorbestimmter Strom durch die Selbstdiagnosespulen A und B fließt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.
Fig. 1 einen Querschnitt eines dreidimensionalen Beschleunigungssensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 dargestellten dreidimensionalen Beschleunigungssensor;
Fig. 3 eine Diagramm einer Übertragungsschaltung bei dieser Ausführungsform;
Fig. 4 ein Erläuterungsdiagramm zur Darstellung des Betriebszustands des dreidimensionalen Beschleunigungssensors als Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein Blockdiagramm zur Darstellung einer arithmetischen Einheit eines dreidimensionalen Beschleunigungssensors dieser Ausführungsform;
Fig. 6 einen Graphen zur Darstellung der Abhängigkeit zwischen Beschleunigung und der Größe der Verschiebung Δdx der elektrostatischen Kapazitätsbereiche;
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen dreidimensionalen Beschleunigungssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 8 eine Draufsicht auf den dreidimensionalen Beschleunigungssensor mit der Selbstdiagnosefunktion nach Fig. 7;
Fig. 9 ein Diagramm der Selbstdiagnosespulen, welche in dem dreidimensionalen Beschleunigungssensor mit der Selbstdiagnosefunktion Verwendung finden;
Fig. 10 einen Querschnitt durch einen bekannten dreidimensionalen Beschleunigungssensor; und
Fig. 11 eine Draufsicht auf den in Fig. 10 dargestellten dreidimensionalen Beschleunigungssensor.
Im folgenden wird eine Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines dreidimensionalen Beschleunigungssensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen Sensor.
In Fig. 1 ist ein Halbleiterpellet (Substrat) 10 durch eine bekannte, konventionelle Siliziumsubstratverarbeitungstechnik verarbeitet worden. Dieses Halbleiterpellet 10 wird durch drei Bereiche gebildet, einen wirkenden Bereich 11, einen flexiblen Bereich 12 und einen Festbereich 13, welche in dieser Reihenfolge von innen nach außen angeordnet sind. Wie durch die durchgezogene Linie in Fig. 2 angezeigt, ist eine Nut kreisförmig in einer Oberseite des flexiblen Bereichs gebildet. Aufgrund dieser Nut ist die Dicke des flexiblen Bereichs 12 geringer und dieser weist eine Funktion wie eine flexible Membran auf. Zusätzlich, wie in Fig. 2 dargestellt, ist eine Gruppe von Abtastelektroden X1, X2, Y1 und Y2, welche elektrostatische Kapazitätsbereiche in X- und Y-Achsenrichtungen bilden, auf der Oberseite des Festbereichs 13 gebildet. Weiterhin ist an dem vorgenannten Festbereich 13 ein Sockel 30 angebracht, der ringförmig aus Glas gebildet ist. Eine untere Fläche des Sockels 30 ist mit einer inneren Grundfläche einer Verkleidung 40 verbunden. Aus diesem Grunde, wenn eine Kraft auf den wirkenden Bereich 11 mit fixiertem Festbereich ausgeübt wird, krümmt sich der flexible Bereich 12 und eine mechanische Deformation tritt auf.
Weiterhin, nach Fig. 1, ist eine Gewichtsmasse 20, welche aus Glas gebildet ist, mit der Spitze des vorgenannten wirkenden Bereichs 11 verbunden. Das Halbleiterpellet 10 und die Gewichtsmasse 20 werden von dem vorgenannten Sockel 30 getragen. Da die Gewichtsmasse 20 mit dem wirkenden Bereich 11 verbunden ist, wird eine auf die Gewichtsmasse 20 aufgrund der Beschleunigung ausgeübte Kraft auf den wirkenden Bereich 11 übertragen, mit dem Ergebnis, daß der flexible Bereich deformiert wird und gleichzeitig die Gewichtsmasse 20 bewegt wird. An einer Unterseite der Gewichtsmasse 20 ist eine weitere Menge von Tastelektroden X1, X2, Y1 und Y2 in gegenüberliegender Anordnung zu der Menge der Tastelektroden X1 und X2, welche auf der oberen Seite des Festbereichs 13 des Halbleiterpellets 10 ausgebildet sind, angeordnet und bilden die elektrostatischen Kapazitätsbereiche. Gemäß Fig. 2 werden die elektrostatischen Kapazitäten CX1, CX2, CY1 und CY2 entlang der X- und Y-Achsen durch die Abtastelektroden auf der oberen Seite des Festbereichs 13 des Halbleiterpellets und die Abtastelektroden auf der unteren Seite der Gewichtsmasse gebildet. Da angenommen wird, daß die entsprechenden Positionen sich durch die Beschleunigung ändern, sind die Elektroden bevorzugt mit einer unterschiedlichen Fläche oben und unten angeordnet. Im Hinblick auf die Positionen, in denen die Abtastelektroden angeordnet sind, sei angemerkt, daß diese Positionen je nach Erfordernissen verändert werden können zusätzlich zu den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Positionen.
Nicht dargestellte Kontaktpads, welche auf dem Halbleiterpellet 10 vorgesehen sind, sind elektrisch mit den vorgenannten Elektroden X1 und X2 auf dem Pellet verbunden. Diese Kontaktpads sind über Leitungsdrähte mit einer Spannungsquelle verbunden. Die Elektroden der Gewichtsmasse 20 sind ebenfalls über Kontaktpads und Leitungsdrahte mit der Spannungsquelle verbunden.
Wird dieser Sensor beschleunigt, wird eine externe Kraft auf die Gewichtsmasse 20 ausgeübt. Diese externe Kraft wird auf den wirkenden Bereich 11 übertragen, wodurch eine mechanische Deformation in dem flexiblen Bereich 12 stattfindet. Als Ergebnis tritt eine Änderung in der Entfernung (Lücke) zwischen den Elektroden, welche mit dem Festbereich auf dem Halbleiterpellet verbunden sind, und den Elektroden, welche auf der unteren Seite der Gewichtsmasse 20 in X- und Y-Achsenrichtungen angeordnet sind, auf, so daß die elektrostatische Kapazität zwischen den gegenüberliegenden Elektroden sich ändert. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Beschleunigung in dreidimensionaler Richtung aufgrund der Änderung in der elektrostatischen Kapazität durch das im folgenden beschriebene Verfahren bestimmt.
Erfassung von Beschleunigung in X- und Y-Achsenrichtungen
Da die Erfassung der Beschleunigung in X- und Y-Achsenrichtungen in genau der gleichen Weise erfolgt, wird im folgenden nur eine Beschreibung des Verfahrens der Beschleunigungserfassung in der X-Achsenrichtung gegeben.
Nach Fig. 2 sind zwei Elektroden X1 und X2 zur Bildung von elektrostatischen Kapazitätsbereichen mit einem Zentralpunkt des wirkenden Bereichs des Halbleiterpellets als Zielpunkt angeordnet. Diese Elektroden X1 und X2 haben entsprechende elektrostatische Kapazitäten CX1 und CX2. Unter der Annahme, daß eine Querschnittsfläche zwischen den gegenüberliegenden Elektroden gleich S ist und die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden Elektroden gleich d ist, wobei die Vakuum Dielektrizitätskonstante
ist, ergibt sich die elektrostatische Kapazität C nach der folgenden Formel:
Zusätzlich ist diese elektrostatische Kapazität mit einer bekannten Übertragungsschaltung nach Fig. 3 verbunden und eine Übertragungsfrequenz fX1 dieser Übertragungsschaltung ist nach der folgenden Formel erhältlich:
Demgemäß, unter der Annahme daß der Sensor gemäß Fig. 4 beschleunigt wird und dadurch eine externe Kraft auf die Gewichtsmasse 20 ausgeübt wird, wird diese externe Kraft auf den wirkenden Bereich 11 übertragen, so daß eine mechanische Deformation in dem flexiblen Bereich 12 auftritt. Als Ergebnis, wenn die Entfernung (Lücke) d zwischen den Elektroden, welche mit dem Festbereich des Halbleiterpellets verbunden sind, und den Elektroden, welche mit der unteren Seite der Gewichtsmasse 20 verbunden sind, sich um Δdx ändert, sind die elektrostatischen Kapazitäten CX1 und CX2 zwischen den gegenüberliegenden Elektroden durch die folgenden Formel gegeben:
Die Frequenzen fX1 und fX2, die durch die elektrostatische Kapazitäten CX1 und CX2, welche sich ändern, hervorgerufen werden, sind wie folgt gegeben:
Der Unterschied zwischen den zwei Frequenzen ist wie folgt gegeben:
Unter der Annahme, daß ein konstanter Ausdruck K gegeben ist:
ergibt sich:
fX2 - fX1 = K Δdx.
Entsprechend gilt:
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, wird die Größe der Veränderung der Lücke Δdx durch |fX2-fX1| bestimmt und die Beschleunigung kann aufgrund dieser Größe in der Verschiebung Δdx gemäß Fig. 6, welche im voraus bestimmt wurde, ermittelt werden.
Folglich kann die Größe der Änderungen Δdx der Entfernung (Lücke) zwischen den Elektroden, welche an dem Festbereich des Halbleiterpellets angebracht sind, und den Elektroden welche auf der unteren Seite der Gewichtsmasse 20 angebracht sind, bei Beschleunigung des Sensors aus der Differenz zwischen den Frequenzen fX1 und fX2 erhalten werden, welche aufgrund der elektrostatischen Kapazitäten CX1 und CX2 auftreten.
Dann kann die Beschleunigung in X-Achsenrichtung einfach aus einem vorbestimmten Graphen für die Beschleunigung und Größe der Veränderungen Δdx der Entfernung (Lücke) zwischen den Elektroden bestimmt werden.
Es sei angemerkt, daß auch wenn eine Beschleunigung in Z-Achsenrichtung vorhanden ist:
die Beschleunigung in X-Achsenrichtung nicht durch die Beschleunigung Z-Achsenrichtung beeinflußt wird. Zusätzlich kann die Beschleunigung in Y-Achsenrichtung durch ein Verfahren ähnlich zu dem der Bestimmung der Beschleunigung X-Achsenrichtung bestimmt werden.
Erfassen einer Beschleunigung in Z-Achsenrichtung
Die Erfassung der Beschleunigung in Z-Achsenrichtung wird durch ein Verfahren ähnlich zu dem zur Bestimmung der Beschleunigung in der X-Achsenrichtung bewirkt. Die Beschleunigung in Z-Achsenrichtung wird durch Vorausbestimmen von Frequenzen fX1S und fX2S im Falle von elektrostatischer Kapazität, wenn der Sensor nicht bestimmt wird, und durch die Differenz zwischen der Frequenz zu diesem Zeitpunkt und der Frequenz, wenn der Sensor beschleunigt wird, durch das folgende Verfahren bestimmt.
Wenn die Ausgaben des Sensors bei fehlender Beschleunigung fX1S und fX2S sind, ergibt sich:
Unter der Annahme, daß die Ausgaben, wenn eine Beschleunigung in X-Achsenrichtung hinzugefügt wird gleich fX1 und fX2 sind, ergibt sich:
Demgemäß kann die Beschleunigung in Z-Achsenrichtung aus dem in Fig. 6 dargestellten Graphen in der gleichen Weise wie die Beschleunigung in X-Achsenrichtung bestimmt werden.
Wie oben beschrieben kann im Fall der Z-Achsenrichtung die Größe der Veränderung Δdx der Entfernung (Lücke) zwischen den Elektroden, welche an dem Festbereich des Halbleiterpellets angeordnet sind, und den Elektroden, welche an der unteren Seite der Gewichtsmasse 20 angeordnet sind, in der gleichen Weise aus den Frequenzen wie im Fall der X-Achse bestimmt werden. Dann kann die Beschleunigung in Z-Achsenrichtung zu diesem Zeitpunkt aus dem vorbestimmten Graphen der Beschleunigung und der Größe der Änderung Δdx der Entfernung (Lücke) zwischen den Elektroden bestimmt werden.
Ein Blockdiagramm zu dem Zeitpunkt, zu dem die Beschleunigung durch das oben beschriebene Verfahren bestimmt wird, ist in Fig. 5 dargestellt.
In Fig. 5 sind die durch die entsprechenden Elektroden bestimmten elektrostatischen Kapazitätsbereiche mit der Übertragungsschaltung verbunden und erzeugen Frequenzen entsprechend zu den elektrostatischen Kapazitäten. Die durch diese Übertragungsschaltung übermittelten Frequenzen sind Hochfrequenzen im Bereich von 100-200 kHz, da die elektrostatischen Kapazitäten zwischen den Elektroden insgesamt klein sind. Werden diese Frequenzen direkt in eine Arithmetikschaltung eingegeben, wird die Last der Arithmetikschaltung groß, so daß eine Teilerschaltung zur Teilung der Frequenzen in beispielsweise 10 kHz verwendet wird, welche dann in die Arithmetikschaltung eingegeben werden. Die Arithmetikschaltung führt die oben beschriebenen Operationen im Detail zur Bestimmung der Beschleunigungen durch. Wie oben beschrieben, wird bei dieser Ausführungsform die Änderung in der Lücke zwischen Elektroden aufgrund der Beschleunigung als Änderung der elektrostatischen Kapazitäten erfaßt und die Beschleunigung wird daraus bestimmt. Folglich ist es möglich, einen Beschleunigungssensor mit hoher Genauigkeit und einfacher Konfiguration zu erhalten.
Als nächstes wird eine Beschreibung einer Selbstdiagnoseeinrichtung des Beschleunigungssensors beschrieben. Wie am Anfang beschrieben, ist ein Testapparat zum Ausüben von Vibrationen auf den Sensorkörper zur Diagnose des bekannten Beschleunigungssensors erforderlich. Folglich ergaben sich Nachteile darin, daß nicht nur der Testapparat groß ist, sondern der Test durch Ausüben tatsächlicher Vibrationen auf den Beschleunigungssensor durchgeführt werden mußte, so daß dieses Testverfahren aufwendig war. Weiterhin kann ein Beschleunigungssensor, der in einem Airbag oder dergleichen eingebaut ist, nur unter praktisch schwierigen Bedingungen mittels einer Diagnose getestet werden.
Daher sind bei der vorliegenden Erfindung Selbstdiagnosespulen in dem Beschleunigungssensor angeordnet, wodurch die Diagnose des Beschleunigungssensors einfach durchführbar ist.
Im folgenden wird eine Ausführungsform eines Beschleunigungssensors, mit dem eine Selbstdiagnose durchführbar ist, beschrieben. Fig. 7 und 8 sind Querschnitte des Beschleunigungssensors mit Spulen zur Durchführung der Selbstdiagnose. Da der Sensor die gleiche Anordnung wie der oben beschriebene Beschleunigungssensor aufweist, wird eine Beschreibung der Anordnung an dieser Stelle weggelassen.
Zusätzlich weist der Beschleunigungssensor eine Selbstdiagnosespule A und eine Selbstdiagnosespule B zur Durchführung der Selbstdiagnose auf. Die Selbstdiagnosespule A wird durch Anordnung einer Spule, wie in Fig. 9 dargestellt, auf der unteren Seite des wirkenden Bereichs 11, der auf dem Halbleiterpellet 10 gebildet ist, dargestellt. Die Selbstdiagnosespule B wird durch Anordnung einer Spule, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist, auf einer Basis zum Tragen des Halbleiterpellets über Glas an einer Position gegenüberliegend zur vorstehend erwähnten Selbstdiagnosespule A gebildet. Die Selbstdiagnosespulen A und B sind mit einer Spannungsquelle über Kontaktpads und Leitungsdrähte verbunden. Ein beliebiger Strom kann, falls erforderlich, durch die Spulen fließen.
Demgemäß, wenn ein bestimmter Strom durch die Selbstdiagnosespulen A und B fließt, wird eine magnetische Kraft in den Selbstdiagnosespulen erzeugt, so daß die Selbstdiagnosespulen sich anziehen oder abstoßen abhängig von der Richtung des Stromflusses. Diese externe Kraft wird auf den wirkenden Bereich 11 übertragen und eine mechanische Deformation tritt in dem flexiblen Bereich 12 auf. Als Ergebnis ändert sich die Entfernung (Lücke) zwischen den Elektroden, welche in dem Festbereich des Halbleiterpellets angeordnet sind, und den Elektroden, welche auf der Unterseite der Gewichtsmasse 20 in den X- und Y-Achsenrichtungen aufgebracht sind. Da die elektrostatischen Kapazitäten zwischen den Elektroden, welche in dem Festbereich des Halbleiterpellets angebracht sind, und den Elektroden, welche auf der Unterseite der Gewichtsmasse 20 angebracht sind, im voraus durch den Strom bestimmbar sind, welcher durch die Selbstdiagnosespulen A und B fließt, ist feststellbar, daß keine Anormalität in dem Beschleunigungssensor vorliegt, wenn keine Differenz zwischen der im voraus bestimmten elektrostatischen Kapazität und der tatsächlichen elektrostatischen Kapazität bei deren Vergleich auftritt. Durch einfaches Fließen eines Stroms durch die Selbstdiagnosespulen A und B ist es daher möglich zu diagnostizieren, ob der Beschleunigungssensor normal oder anormal arbeitet. Zusätzlich ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung eine Diagnose eines Beschleunigungssensors möglich, der in einem Airbag oder dergleichen angeordnet ist, oder das Überprüfen der Funktion des Beschleunigungssensors bei der Herstellung ist einfach möglich.
Auch wenn bei der oben beschriebenen Ausführungsform beispielsweise die Selbstdiagnosespulen A und B in einem Zentralbereich des Beschleunigungssensors angeordnet waren, können die Selbstdiagnosespulen A und B exzentrisch relativ zum Zentralbereich angeordnet werden, um die Beschleunigungsmasse in einer dreidimensionalen Richtung zu kippen, wodurch es möglich ist, eine Selbstdiagnose hinsichtlich der Beschleunigung in einer dreidimensionalen Richtung durchzuführen. Außerdem kann die Selbstdiagnosespule B durch ein magnetisches Material ersetzt werden, wodurch die Anzahl der Spulen um eine verringert werden kann. Weiterhin kann bei einem angemessenen Strom, der durch die Selbstdiagnosespulen A und B bei Verwendung des Beschleunigungssensors fließt, eine Dämpfungsfunktion für die Gewichtsmasse demonstriert werden.
Wie oben im Detail beschrieben wurde, kann gemäß der vorliegenden Erfindung, da eine Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen den Elektroden, die in dem Festbereich des Halbleiterpellets angebracht sind, und den Elektroden, welche auf der Unterseite der Gewichtsmasse 20 angebracht sind, erfaßt werden und diese Änderung der elektrostatischen Kapazität wird in einer Übertragungsfrequenz von einer Übertragungsschaltung umgewandelt, um die Beschleunigung zu erfassen. Aufgrund dessen erhält man einen Beschleunigungssensor von einfacher Konfiguration, der eine hohe Genauigkeit aufweist. Da die Luftlücke zwischen den Elektroden nur einer kleinen Beeinflussung durch Temperatur unterworfen ist, ist eine schwierige Operation wie eine Temperaturkorrektur im Vergleich zu dem bekannten Beschleunigungssensor mit Widerständen nicht mehr erforderlich. Da weiterhin die Beschleunigung in dreidimensionaler Richtung durch einen Beschleunigungssensor erfaßbar ist, weist die Erfindung den besonderen Vorteil auf, daß der Raum zur Anordnung des Beschleunigungssensor reduziert werden kann.
Gemäß der Selbstdiagnosefunktion des Beschleunigungssensors kann in einfacher Weise festgestellt werden, ob der Beschleunigungssensor normal oder anormal funktioniert, indem ein vorbestimmter Strom durch die Selbstdiagnosespulen A und B fließt. Die Anzahl der Spulen kann um eine reduziert werden, in dem die Selbstdiagnosespule B durch ein magnetisches Material ersetzt wird. Fließt ein angemessener Strom durch die Selbstdiagnosespulen A und B wenn der Beschleunigungssensor verwendet wird, ist eine Dämpffunktion für die Gewichtsmasse demonstrierbar. Weiterhin weist die Erfindung den besonderen Vorteil auf, daß die Diagnose eines in einem Produkt eingesetzten Beschleunigungssensor einfach durchführbar ist.

Claims (5)

1. Ein Verfahren zum Erfassen von Beschleunigung dadurch gekennzeichnet, daß elektrostatische Kapazitätsbereiche (CX1, CX2, CY1, durch einen Festbereich (13) und eine durch die Beschleunigung bewegte Gewichtsmasse (20) gebildet sind, die elektrostatischen Kapazitätsbereiche an zwei oder mehr Positionen zwischen dem Festbereich (13) und der durch die Beschleunigung bewegten Gewichtsmassen (20) angeordnet sind, Größen einer Änderung der elektrostatischen Kapazitätsbereiche in Frequenzänderungen durch eine Übertragungsschaltung umgewandelt werden, ein Maß für Bewegung der Elektroden der elektrostatischen Kapazitätsbereiche aufgrund der Frequenz berechnet wird, welche den Änderungen in den elektrostatischen Kapazitätsbereichen entspricht, und die Beschleunigung aus dem Maß der Bewegung erfaßt wird.
2. Ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor, dadurch gekennzeichnet, daß elektrostatische Kapazitätsbereiche (CX1, CX2, CY1, durch einen Festbereich (13) und eine durch die Beschleunigung bewegte Gewichtsmasse (20) gebildet sind und eine Arithmetikeinheit zur Berechnung eines Maßes von Bewegung der Gewichtsmasse (20) aufgrund von Änderungen der elektrostatischen Kapazität in den elektrostatischen Kapazitätsbereichen und zur Berechnung der Beschleunigung aufgrund der Größe der Bewegung vorgesehen ist.
3. Ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor, gekennzeichnet durch, einen wirkenden Bereich (11); einen entlang einer Peripherie des wirkenden Bereichs (11) gebildeten flexiblen Bereich (12); ein durch drei Regionen eines Festbereichs (13) entlang einer Peripherie des flexiblen Bereichs (12) gebildetes Substrat (10); eine mit dem wirkenden Bereich (11) verbundenen Gewichtsmasse (20); auf entsprechenden gegenüberliegenden Seiten des Festbereichs (13) und der Gewichtsmasse (20) angeordneten Elektroden (X1, X2, Y1, Y2); durch die Elektroden (X1, X2, Y1, Y2) angeordnete elektrostatische Kapazitätsbereiche (CX1, CX2, CY1, CY2); und eine Arithmetikeinheit zur Berechnung von Beschleunigung aufgrund von Veränderungen der elektrostatischen Kapazität der elektrostatischen Kapazitätsbereiche (CX1, CX2, CY1, CY2).
4. Ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion,
gekennzeichnet durch:
einen wirkenden Bereich (11); einen entlang einer Peripherie des wirkenden Bereichs (11) gebildeten flexiblen Bereich (12); ein durch drei Regionen eines Festbereichs (13) entlang einer Peripherie des flexiblen Bereichs (12) gebildetes Substrat (10); eine mit dem wirkenden Bereich (11) verbundenen Gewichtsmasse (20);
auf entsprechenden gegenüberliegenden Seiten des Festbereichs (13) und der Gewichtsmasse (20) angeordneten Elektroden (X1, X2, Y1, Y2); durch die Elektroden (X1, X2, Y1, Y2) angeordnete elektrostatische Kapazitätsbereiche (CX1, CX2, CY1, CY2); und einer Arithmetikeinheit zur Berechnung von Beschleunigung aufgrund Veränderungen der elektrostatischen Kapazität der elektrostatischen Kapazitätsbereiche (CX1, CX2, CY1, CY2), wobei eine Selbstdiagnosespule (A, B) auf jedem Stützbereich zum Abstützen des wirkenden Bereichs (11) und des Beschleunigungssensors angeordnet ist.
5. Ein dreidimensionaler Beschleunigungssensor mit einer Selbstdiagnosefunktion,
gekennzeichnet durch:
einen wirkenden Bereich (11); einen entlang einer Peripherie des wirkenden Bereichs (11) gebildeten flexiblen Bereich (12); ein durch drei Regionen eines Festbereichs (13) entlang einer Peripherie des flexiblen Bereichs (12) gebildetes Substrat (10); eine mit dem wirkenden Bereich (11) verbundenen Gewichtsmasse (20); auf entsprechend gegenüberliegenden Seiten des Festbereichs (13) und der Gewichtsmasse (20) angeordneten Elektroden (X11, X2, Y1, Y2); durch die Elektroden (X1, X2, Y1, Y2) angeordnete elektrostatische Kapazitätsbereiche (CX1, CX2, CY1, CY2); und einer Arithmetikeinheit zum Berechnen von Beschleunigung aufgrund von Veränderungen der elektrostatischen Kapazität der elektrostatischen Kapazitätsbereiche, wobei eine Selbstdiagnosespule (A, B) auf entweder einem Stützbereich zum Abstützen des wirkenden Bereichs (11) oder des Beschleunigungssensors angeordnet ist, während ein magnetisches Material auf dem jeweils anderen Stützbereich angeordnet ist.
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