DE69108608T2

DE69108608T2 - Kapazitiver Beschleunigungsaufnehmer mit freier Membran.

Info

Publication number: DE69108608T2
Application number: DE69108608T
Authority: DE
Inventors: Shigekaz Nakamura; Atushi Omura; Masaaki Takagi
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1991-05-27
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2011-05-28
Also published as: DE69108608T3; US5253526A; EP0459939B2; DE69108608D1; EP0459939A1; EP0459939B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Beschleunigungssensor, und insbesondere auf einen kapazitiven Beschleunigungssensor, der es ermöglicht, eine relativ geringe Beschleunigungskraft unterhalb von einigen g in einem Bandbereich unterhalb von einigen 10 Hz genau nachzuweisen. Dieser Typ eines Beschleunigungssensors ist beispielsweise auf einem Fahrzeug zur Verwendung in einer automatischen Steuerung eines Antriebs- oder Bremsmechanismus montiert.
Allgemein kann eine relativ hohe Beschleunigungskraft leicht zum Beispiel mittels eines Beschleunigungssensors nachgewiesen werden, der ein piezoelektrisches Element verwendet, oder mittels eines anderen Beschleunigungssensors, der den elektrischen Nachweis einer in einem Halbleiterelement verursachten Spannung bewirkt. Andererseits ist eine relativ geringe Beschleunigungskraft schwierig zu erfassen und kann einen komplizierten Aufbau des Beschleunigungssensors notwendig machen.
Fig. 24 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen kapazitiven Beschleunigungssensors. Ein solcher Typ ist beispielsweise im US-Patent Nr. 4,694,687 offenbart. Wie in der Figur gezeigt, besitzt der Beschleunigungssensor eine aus fünf Schichten gebildete Schichtstruktur. Ein Paar Substrate 144 und 152 sind auf ihren jeweiligen verdeckten Flächen mit ähnlichen Metallbelagmustern ausgebildet. Beispielsweise ist das untere Substrat 152 auf seiner Oberseite mit einem Rahmenmuster 154 entlang eines Randes des Substrats 152 und mit einem zentral auf dem Substrat 152 angeordneten rechteckigen Muster 158 ausgebildet. Diese metallisierten Belagmuster sind voneinander durch eine Isolationszone 156 elektrisch getrennt. Abstandshalter 146 und 150 sind auf dem jeweiligen der Substrate 144 und 152 geschichtet. Diese Abstandshalter 146 und 150 sind mit zentralen Öffnungen ausgebildet. Eine elektrisch leitende Zwischenplatte 148 ist zwischen dem Abstandshalterpaar 146 und 150 angeordnet. Diese Zwischenplatte 148 besitzt einen zentralen, beweglichen Abschnitt 164, der durch Federelemente 163 unterstützt wird. Die Federelemente 163 erstrecken sich in der ebene der Zwischenplatte 148 und sind aus einem um den zentralen Abschnitt 164 angeordneten Schlitzmuster ausgebildet. Durch einen solchen Aufbau wird der Zentralabschnitt 164 durch einen am Umfang befindlichen Rahmenabschnitt 166 der Zwischenplatte 148 federnd unterstützt. Die oben beschriebenen fünf ebenen Teile sind übereinander geschichtet, und der zentrale Abschnitt 164 und die Federelemente 163 sind in einem zentralen, in den Abstandshaltern 146 und 150 ausgebildeten Zwischenraum angeordnet. Der Zentralabschnitt 164 ist flexibel unterstützt, um so einer Verschiebung relativ zu den auf den gegenüberliegenden Substraten 144 und 152 ausgebildeten, rechteckigen, gegenüberliegenden Mustern ausgesetzt zu sein. Das Paar rechteckförmiger Muster und der dazwischenliegende zentrale Abschnitt bilden ein Paar in Serie geschalteter variabler Kondensatoren. Der Zentralabschnitt 164 ist als Reaktion auf eine von außen angewandte Beschleunigungskraft einer Verschiebung relativ zu den feststehenden rechteckigen Mustern ausgesetzt, um eine Kapazitätsänderung zu bewirken. Diese Kapazitätsänderung wird elektrisch nachgewiesen, um Richtung und Betrag der angewandten Beschleunigungskraft zu messen.
Allerdings ist, wie in Fig. 24 gezeigt, der herkömmliche kapazitive Beschleunigungssensor so aufgebaut, daß der zentrale, bewegliche Abschnitt für eine Beschleunigungskraft empfindlich ist und entlang seines Umfangs unterstützt ist. Daher neigt eine solche Konstruktion dazu, von Unterschieden in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen ebenen Materialien, die die Schichtstruktur bilden, beeinflußt zu werden. Beispielsweise kann, falls das Paar feststehender Substrate aus Keramik mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von α = 0,82 x 10&supmin;&sup5; und die Zwischenplatte aus Beryllium-Kupfer-Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von α = 1,80 x 10&supmin;&sup5; besteht, ein relativer Abmessungsfehler von etwa 0,1 um/ºC bei einer Gesamtlänge von 10 mm verursacht werden. Falls die Temperaturschwankung bis 40ºC beträgt, kann ein Abmessungsfehler von 4 um über die gesamte Länge verursacht werden. Ein solcher relativer Abmessungsfehler kann eine Spannung hervorrufen, die eine Deformation des zentralen Abschnitts oder der beweglichen Elektrode bewirken kann, wodurch der Nachteil verursacht wird, daß der nachgewiesene Wert einer Beschleunigungskraft von der Umgebungstemperatur abhängt.
Weiter werden beim Zusammenbau der Schichtstruktur gegenüberliegende Flächen des am Umfang befindlichen, feststehenden Abschnitts der Zwischenplatte im allgemeinen mittels eines Klebstoffs an den jeweiligen Abstandshaltern befestigt, um eine auf den zentralen Abschnitt oder die bewegliche Elektrode ausgeübte Spannung gleichmäßig zu verteilen. Die Verwendung des Klebstoffs kann nicht nur die Anfälligkeit für Schwankungen der Umgebungstemperatur erhöhen, sondern kann nachteiligerweise das Zusammenbauen behindern.
In der US-A-4,435,737 wird ein kapazitiver Beschleunigungssensor betrieben, der ein unteres und oberes feststehendes Substrat umfaßt. Zwischen diesen ist ein Halbleiterelement angeordnet. Das Halbleiterelement enthält drei Bestandteile, nämlich erstens einen zentralen Ständerteil, der mit seinen ebenen Flächen an den Substraten befestigt ist. Zweitens erstreckt sich ein elastischer Membranteil von dem zentralen Ständerteil weg nach außen. Drittens erstreckt sich ein Massenringteil mit parallelen, ebenen Flächen, die den feststehenden Elektroden der zwei feststehenden Substrate gegenüberliegend von dem Membranteil weg nach außen. Alle drei Bestandteile besitzen eine unterschiedliche Form. Ungünstigerweise ist die Membran relativ starr. Daher ist die Membran weniger empfindlich. Die bekannte Konstruktion ermöglicht außerdem nur im beschränktem Maße einen genauen Nachweis der Beschleunigung.
Es ist ein in der Druckschrift DE-A-2 936 607 beschriebener Kondensator bekannt, der eine Elektrode mit einer Anzahl von Teilflächen mit unterschiedlichen Größen umfaßt. Der Kondensator kann durch Unterbrechen eines Verbindungspfades zwischen den einzelnen Teilflächen der Elektrode und einem gemeinsamen Leitungsnetz eingestellt werden.
Angesichts der genannten Probleme des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten kapazitiven Beschleunigungssensor zu schaffen, der einen genauen Nachweis der Beschleunigung mit hoher Empfindlichkeit sowie bessere Montageeigenschaften aufweist.
Um die genannte Aufgabe der Erfindung zu lösen, umfaßt der verbesserte Beschleunigungssensor die Teile und die Struktur gemäß dem Anspruch 1, in erster Linie ein erstes feststehendes Substrat mit einer stationären Elektrode und ein zweites feststehendes Substrat mit einer anderen feststehenden Elektrode, die der ersten feststehenden Elektrode mit einem vorgegebenen Zwischenraum gegenüberliegt. Bine elektrisch leitfähige Membran ist in dem Zwischenraum angeordnet. Die Membran besitzt einen in dem Zwischenraum fixierten und unterstützten zentralen Abschnitt und einen umgebenden, am Umfang befindlichen Abschnitt, der sich federnd von dem zentralen Abschnitt weg erstreckt, um einer Verschiebung senkrecht zu den ebenen, feststehenden Elektroden ausgesetzt zu sein. Der am Umfang befindliche bewegliche Abschnitt und die gegenüberliegenden stationären Elektroden bilden in Reihe geschaltete variable Kondensatoren.
Der am Umfang befindliche Abschnitt ist als Antwort auf eine äußere Beschleunigungskraft einer Verschiebung ausgesetzt, die als Veränderung der Kapazität elektrisch nachgewiesen werden kann.
Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Aufbau ist die Zwischenmembran gemäß der Erfindung mit einem am Umfang befindlichen Abschnitt in Form eines ringförmigen, gegenüber einer äußeren Beschleunigungskraft empfindlichen Ringabschnitts ausgebildet, um einer Verschiebung als Reaktion darauf ausgesetzt zu sein. Die Membran bildet eine dünne, in Segmente geteilte Scheibe mit einem Blattfederteil, das den Umfangsabschnitt mit dem zentralen Abschnitt verbindet. Dies ermöglicht, daß der Beschleunigungssensor einen hohen Grad an Empfindlichkeit gegenüber einer äußeren Beschleunigung besitzt. Erfindungsgemäß erstreckt sich ein Verbindungsbauteil durch den zentralen Abschnitt der Membran, um den übereinanderliegenden Aufbau der ebenen Platten zu arretieren. Dies garantiert einen exakten Zusammenbau des Beschleunigungssensors ohne die Verwendung von Klebstoff. Zusätzlich hält ein Paar Abstandshalter, die zwischen dem zentralen Abschnitt der Membran und den äußeren Substraten angeordnet sind, eine stabile Lücke zwischen der Membran und den Substraten aufrecht.
Figur 1 ist eine schematische Darstellung, teilweise im Querschnitt, eines Gesamtaufbaus eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors;
Figur 2 ist eine Ansicht einer Membran, die ein Bestandteil des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ist;
Figur 3 ist eine Ansicht eines in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendeten feststehenden Substrats;
Figur 4 ist eine Ansicht eines in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendeten Abstandshalters;
Figur 5 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die elektrische Verbindung verschiedener Komponenten in dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors zeigt;
Figur 6A ist eine Untersicht eines in einem zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten oberen stationären Substrats;
Figur 6B ist eine Draufsicht auf ein in dem zweiten Ausführungsbeispiel verwendetes unteres feststehendes Substrat;
Figur 7 ist eine schmematische Darstellung, teilweise im Querschnitt, eines dritten Ausführungsbeispiels des Beschleunigungssensors
Figur 8A ist eine Draufsicht auf ein in dem dritten Ausführungsbeispiel verwendetes oberes feststehendes Substrat;
Figur 8B ist eine Untersicht desselben Substrats;
Figur 9 ist eine Ansicht eines Abstandshalters;
Figur 10 ist eine Ansicht einer Membran;
Figur 11A ist eine Draufsicht auf ein unteres stationäres Substrat;
Figur 11B ist eine Untersicht desselben Substrats;
Figur 12A ist eine Draufsicht auf eine Kontaktplatte;
Figur 12B ist eine Untersicht derselben Platte;
Figur 13 ist eine Draufsicht auf eine Leiterplatte;
Figur 14 ist eine schematische Querschnittsdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des Beschleunigungssensors;
Figur 15A ist eine Draufsicht auf ein in dem vierten Ausführungsbeispiel verwendetes oberes feststehendes Substrat;
Figur 15B ist eine Untersicht desselben Substrats;
Figur 16 ist eine Ansicht eines Abstandshalters;
Figur 17 ist eine Ansicht einer Membran;
Figur 18A ist eine Draufsicht eines unteren stationären Substrats;
Figur 18B ist eine Untersicht desselben Substrats;
Figur 19A ist eine Draufsicht auf eine Kontaktplatte;
Figur 19B ist eine Untersicht derselben Platte;
Figur 20 ist eine Draufsicht auf eine Leiterplatte;
Figur 21 ist eine schematische Darstellung, die eine Lageanordnung fest stehender und beweglicher Elektroden in dem vierten Ausführungsbeispiel zeigt;
Figur 22 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Verbindung mehrerer Kondensatoren zeigt;
Figur 23 ist ein Schaltungsdiagramm einer Verarbeitungsschaltung, die mit dem vierten Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors verbunden werden kann und
Figur 24 ist eine Explosionsdarstellung des herkömmlichen Beschleunigungssensors.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Figur 1 ist eine schematische Darstellung, teilweise im Querschnitt, die einen Gesamtaufbau eines ersten Ausführungsbeispiels des kapazitiven Beschleunigungssensors gemäß der Erfindung zeigt. Wie in der Figur gezeigt, umfaßt der Beschleunigungssensor ein erstes feststehendes Substrat 1, das an seiner abgewandten Fläche eine vorgegebene ebene stationäre Elektrode besitzt, und ein zweites feststehendes Substrat 2, das an seiner verdeckten Fläche eine andere vorgegebene ebene feststehende Elektrode aufweist und das dem ersten stationären Substrat 1 mit einem gegebenen Abstand gegenüberliegt. Eine elektrisch leitfähige Membran 3 ist in dem Zwischenraum angeordnet. Die Membran 3 umfaßt einen zentralen Abschnitt, der in dem Zwischenraum fixiert und unterstützt ist, und einen Umfangsabschnitt, der sich federnd von dem zentralen Abschnitt wegerstreckt, um in dem Zwischenraum einer Verschiebung in einer zu den ebenen feststehenden Elektroden senkrechten Richtung ausgesetzt zu sein. Der Umfangsabschnitt und die entsprechende der gegenüberliegenden ebenen Elektroden bilden in Serie geschaltete veränderliche Kondensatoren, um die Verschiebung des Umfangsabschnitts, die als Reaktion auf eine äußere Beschleunigungskraft verursacht wird, als Kapazitätsänderung nachzuweisen.
Der zentrale Abschnitt der Membran 3 ist durch ein Paar Abstandshalter 8 und 9 fest zwischen den ersten und zweiten feststehenden Substraten 1 und 2 eingefügt. Diese Membran 3, das Paar Abstandshalter 8 und 9 und das Paar erster und zweiter stationärer Substrate 1 und 2 bilden gemeinsam eine Schichtstruktur, die mittels eines Verbindungsbauteils in Form einer Schraube 13, die sich vertikal durch den fixierten zentralen Abschnitt hindurcherstreckt, zusammenmontiert ist. Ein Blattfederteil 14 und eine Unterlegscheibe 15 sind zwischen einem Kopf der Schraube 13 und einer oberen Fläche des ersten feststehenden Substrats 1 angeordnet, um das obere Substrat 1 an das untere Substrat 2 anzupressen.
Die so aufgebaute geschichtete Struktur ist in einem Gehäuse 11 enthalten, das von einer Hülle 12 umgeben ist. Die Hülle 12 ist mittels Schrauben an dem Gehäuse 11 befestigt und umschließt zum Zwecke der elektrischen Abschirmung die Schichtstruktur vollständig. Daher sind das Gehäuse 11 und die Hülle 12 aus metallischem Material, wie z. B. Aluminium, ausgebildet und werden im praktischen Betrieb elektrisch geerdet. Weiter ist in dem Gehäuse 11 auch eine gedruckte Schaltungsplatte 5 enthalten. Die geschichtete Struktur ist auf der Leiterplatte 5 durch eine Kontaktplatte 7 befestigt, so daß ein elektrischer Leitungspfad durch die Kontaktplatte 7 und die Leiterplatte 5 zu dem Paar feststehender Elektroden und zu dem Umfangsabschnitt vorgesehen ist, so daß die variablen Kondensatoren durch eine Verbindungsklemme 6, die an einem äußeren Bereich der gedruckten Schaltungsplatte 5 befestigt ist, mit einer externen Betriebsschaltung verbunden sind.
Allgemein wird eine Reaktion des Beschleunigungssensors durch die Verschiebungsgeschwindigkeit der Membran 3 in dem Zwischenraum bestimmt. Der Zwischenraum ist von dem Paar feststehender Substrate 1 und 2 umgeben und ist mit Luft gefüllt, die fließt, wenn die Membran 3 sich als Antwort auf eine äußere Beschleunigungskraft bewegt. Der Fluidwiderstand der Luft übt eine dämpfende Funktion aus. Bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor wird diese dämpfende Funktion genutzt, um eine resonante Zerstörung der Membran zu verhindern. Die dämpfende Funktion kann in Anpassung an ein Reaktionsfrequenzband, das bei einem individuellen Beschleunigungssensor benötigt wird, eingestellt werden. Z. B. kann die Einstellung bewirkt werden, indem man einen Abstand zwischen dem Paar stationärer Substrate 1 und 2, d. h. die Dickenausdehnung der Abstandshalter 8 und 9, verändert oder indem man in dem feststehenden Substrat ein Durchgangsloch vorsieht, das eine geeignete Öffnungsgröße aufweist, um die eingesprerrte Luft hindurchzulassen.
Bei der oben beschriebenen Schichtkonstruktion muß das Paar feststehender Substrate 1 und 2 hochpräzise parallel zueinander miteinander gekoppelt werden, um stabile Nachweisergebnisse für die Beschleunigungskraft zu erreichen. Aus diesem Grund ist das Paar stationärer Substrate 1 und 2 durch mehrere parallele Stifte 16 miteinander gekoppelt.
Als nächstes wird in Verbindung mit den Fig. 2 bis 4 die detaillierte Beschreibung wichtiger Bestandteile des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors gegeben. Fig. 2 zeigt die ebene Form der Membran 3. Wie in der Figur gezeigt, umfaßt die Membran 3 einen festgehaltenen zentralen Abschnitt 26 und einen beweglichen, am Umfang befindlichen Abschnitt 25m, der sich in flexibler oder federnder Weise radial nach außen von dem Zentralabschnitt 26 wegerstreckt, um so einer Verschiebung vertikal zu der Zeichenebene ausgesetzt zu sein. Der Umfangsabschnitt 25m bildet ein bewegliches Elektrodenstück und ist aus einem ringförmigen Ring ausgebildet, der durch drei Blattfederteile 27 flexibel oder federnd an seinem inneren Kantenbereich mit einem äußeren Umfangsbereich des zentralen Scheibenabschnitts 26 verbunden ist. Der Scheibenabschnitt 26 ist zentral mit einer Öffnung 28 ausgebildet, um darin die in Fig. 1 gezeigte Verbindungsschraube 13 aufzunehmen. Die ebene, in Abschnitte eingeteilte Membran 3 kann man erhalten, indem man ein elastisches Metallmaterial, wie z. B. rostfreien Stahl, ätzt und mit dem Muster versieht. Falls keine Rost- oder Korrosionsprobleme bei der praktischen Verwendung erwartet werden, können andere Materialien wie z. B. Cu und Be-Cu benutzt werden, um den Musterausformungsprozeß der Membran zu erleichtern.
Fig. 3 zeigt die ebene Form des ersten feststehenden Substrats 1. Das stationäre Substrat 1 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material wie z. B. Keramik und ist auf seiner Oberfläche mit einer ringförmigen feststehenden Elektrode 17u ausgebildet. Diese ringförmige Elektrode 17u besteht beispielsweise aus einer metallisierten Dickfilmbeschichtung, die durch eine Drucktechnologie aufgebracht wurde. Wie aus einem Vergleich zwischen der Fig. 2 und der Fig. 3 ersichtlich ist, sind die stationäre Elektrode 17u und die bewegliche Elektrode 25m mit einem im wesentlichen identischen Muster gestaltet, so daß sie einander gegenüberliegen, um einen ein dielektrisches Material in Form von Luft enthaltenden Kondensator zu bilden. Das Keramiksubstrat 1 ist zentral mit einer Öffnung 21 ausgebildet, um darin die in Fig. 1 gezeigte Verbindungsschraube 13 aufzunehmen. Um die zentrale Öffnung 21 herum ist ein inneres ringförmiges Muster 18u ausgebildet. Dieses Muster 18u ist dafür vorgesehen, einen elektrischen Kontakt mit der aus metallischem Material bestehenden Membran 3 herzustellen. Das allgemein rechteckförmige Substrat 1 ist an seinen vier Ecken mit Löchern 16u ausgebildet, die die in Fig. 1 gezeigten parallelen Stifte 16 aufnehmen. Auch wenn dies nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, besitzt das zweite feststehende Substrat 2 einen ähnlichen Aufbau wie das erste stationäre Substrat 1. Durch zumindest eines der ersten und zweiten feststehenden Substrate 1 und 2, zwischen denen die Membran 3 eingefügt ist, kann für einen elektrischen Kontakt zu der Membran 3 gesorgt werden.
Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf den Abstandshalter 8. Dieser Abstandshalter ist ringförmig und ist zentral mit einer Öffnung 23 ausgebildet, um durch diese die Verbindungsschraube 13 hindurchzulassen. Die äußere Form des Abstandshalters 8 ist allgemein identisch mit der des Zentralabschnitts 26 der Membran 3 und ist auch allgemein identisch mit der des inneren scheibenförmigen Musters 18u des feststehenden Substrats 1. Der Abstandshalter 8 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. Metall, und ist zwischen das obere stationäre Substrat 1 und die Membran 3 eingefügt. Auch wenn dies nicht in den Zeichnungen gezeigt ist, besitzt der andere Abstandshalter 9 die gleiche Form und ist zwischen die Membran 3 und das untere feststehende Substrat 2 eingefügt. Das Paar Abstandshalter 8 und 9 ist angeordnet, um bei diesem Ausführungsbeispiel die Abmessung der Lücke des Zwischenraums zu bestimmen.
Als letztes zeigt Fig. 5 die elektrische Verbindung des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors. Ein durch die gestrichelte Linie umgebener Teil bezeichnet das Sensorinstrument und der verbleibende Teil bezeichnet eine äußere Betriebsschaltung. Wie in der Figur gezeigt, ist die auf dem oberen stationären Substrat 1 ausgebildete stationäre Elektrode 17u elektrisch durch die Kontaktplatte 7 und die Leiterplatte 5 mit einem Eingangskontakt 54u verbunden. Die andere auf dem unteren feststehenden Substrat 2 ausgebildete ringförmige feststehende Elektrode 30l ist elektrisch in ähnlicher Art und Weise mit einem anderen Eingangskontakt 54l verbunden. Weiter ist der bewegliche Umfangsabschnitt 25m der Membran 3 durch den Abstandshalter, das feststehende Substrat, die Kontaktplatte 7 und die Leiterplatte 5 mit einem Ausgangskontakt 54m verbunden. Zusätzlich sind das Gehäuse 11 und die Hülle 12 durch die gedruckte Schaltungsplatte 5 mit einem Paar Erdungskontakten 54g und 54g' verbunden. Andererseits ist die externe Betriebsschaltung mit einer Wechselstromsignalquelle 55 versehen, die zwischen das Paar Eingangskontakte 54u und 54l geschaltet werden kann.
Bezugnehmend auf Fig. 5 wird die Beschreibung der Arbeitsweise des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors gegeben. Wie in der Figur gezeigt, bilden die obere feststehende Elektrode 17u und die bewegliche Elektrode 25m einen variablen Kondensator. Seine Kapazität ist durch 01 = &epsi; S1 d1 bestimmt, wobei S1 die Elektrodenfläche bezeichnet, d1 den Elektrodenabstand bezeichnet und &epsi; den Dielektrizitätskoeffizienten von Luft bezeichnet. Andererseits bilden die gemeinsame bewegliche Elektrode 25m und die andere stationäre Elektrode 30l einen anderen Kondensator. Seine Kapazität ist durch C2 = &epsi; S2 d2 bestimmt, wobei S2 die Elektrodenfläche bezeichnet und d2 den Elektrodenabstand bezeichnet. Allgemein sind die Elektrodenflächen S1 und S2 gleich bemessen und die Elektrodenabstände d1 und d2 sind bei Abwesenheit äußerer Beschleunigungskräfte provisorisch identisch eingestellt. Demgemäß besitzt das in Serie geschaltete Paar Kapazitäten C1 und C2 unter der Bedingung, daß keine externe Beschleunigungskraft angewandt wird, den gleichen Wert. Unterliegt der Sensor einer äußeren Beschleunigung α, so wird bei dieser Anordnung auf den beweglichen Abschnitt 25m eine dynamische Kraft m α aufgeübt - wobei m die Masse des beweglichen Abschnitts 25m bezeichnet -, so daß der bewegliche Abschnitt 25m einer Verschiebung Δd ausgesetzt ist, bis die dynamische Kraft durch eine von den Blattfedern 27, die den Umgangsabschnitt 25m federnd abstützen, erzeugte elastische Kraft ausgeglichen wird. Als Folge davon ändern sich die Abstände d1 und d2 zwischen der beweglichen Elektrode 25m und der jeweiligen der feststehenden Elektroden 17u und 30l komplementär zu d1 + Δd und d2 - Δd. Die Kapazitäten C1 und C2 verändern sich differentiell aufgrund der Abstandsänderung und erzeugen so ein Kapazitätsungleichgewicht.
In der Praxis wird, wie in Fig. 5 gezeigt, der Eingangskontakt 54u mit einem Rechteckpulssignal versorgt, und der andere Eingangskontakt 54l wird mit einem anderen Rechteckpulssignal versorgt, das eine Phasendifferenz von 180º besitzt. Bei Abwesenheit einer äußeren Beschleunigungskraft weist das Paar Kondensatoren den gleichen Kapazitätswert auf, so daß der Ausgangskontakt 54m ein Nullniveau-Ausgangsspannungssignal erzeugt. Auf das Anwenden einer externen Beschleunigungskraft hin ist der bewegliche Abschnitt 25m einer Verschiebung in Abhängigkeit von der Richtung und Größe der angewandten Kraft ausgesetzt, um dadurch das Gleichgewicht der Kapazitätswerte zu stören. Als Folge davon erzeugt der Ausgangskontakt 54m ein Ausgangsspannungssignal mit einer bestimmten Phase, die der Verschiebungsrichtung entspricht, und einer bestimmten Amplitude, die dem Verschiebungsbetrag proportional ist. Die Betriebsschaltung bewirkt, daß die Phase und Amplitude des Ausgangsspannungssignals elektrisch verarbeitet werden, um die Größe und Richtung der nachgewiesenen Beschleunigung zu überwachen und anzuzeigen.
Wie oben beschrieben besitzt die Membran gemäß dem erfindungsgemäßen Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels einen fixierten Zentralabschnitt und einen beweglichen Umfangsabschnitt. Durch diesen Aufbau kann der bewegliche Umfangsabschnitt in einer Unterstützung mit freiem Ende angeordnet werden. Selbst wenn der festgehaltene zentrale Abschnitt in seiner ebenen Richtung aufgrund eines Unterschiedes im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den flächenhaften Schichten bei Veränderung der Umgebungstemperatur deformiert wird oder sich verzieht, ist daher der bewegliche Abschnitt im wesentlichen frei von einer solchen Deformation, wodurch die Temperaturabhängigkeit des Ausgangssignals des Beschleunigungssensors beträchtlich reduziert wird. Weiter sind die verschiedenen plattenförmigen Bestandteile miteinander verbunden, um den geschichteten Aufbau mittels einer gemeinsamen Verbindungsschraube oder eines gemeinsamen Verbindungsniets auszubilden, wodurch die Montage der Sensoreinrichtung erleichtert wird.
Wie zuvor beschrieben, bilden bei dem in Fig. 5 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel die obere feststehende Elektrode 17u und die bewegliche Elektrode 25m einen veränderlichen Kondensator. Seine neutrale Kapazität wird durch Ol = &epsi; S1 d1 bestimmt, wobei S1 die Fläche der oberen stationären Elektrode bezeichnet, d1 den Elektrodenabstand, wenn die bewegliche Elektrode 25m sich in der neutralen Position befindet, bezeichnet und &epsi; den Dielektrizitätskoeffizienten von Luft bezeichnet. Andererseits bilden die gemeinsame bewegliche Elektrode 25m und die untere feststehende Elektrode 30l einen anderen Kondensator. Seine neutrale Kapazität wird durch C2 = &epsi; S2 d2 bestimmt, wobei S2 die Fläche der unteren stationären Elektrode bezeichnet und d2 den Elektrodenabstand bezeichnet, wenn sich die bewegliche Elektrode 25m in der Neutralposition befindet.
Allgemein werden die Elektrodenabstände d2 und d2 auf einige 10 um eingestellt. Allerdings kann eine Abweichung in der Größenordnung einiger um in der Dickenabmessung der Abstandshalter und in der Planheit der Membran und der feststehenden Elektroden auftreten. Daher weichen die tatsächlichen neutralen Kapazitäten C1 und C2 vom angestrebten Wert um einige Prozent oder zwischen 10 und 20 Prozent ab.
Daher wäre es bei einem Fehlen jeglicher Einstellvorrichtung ziemlich schwierig, ein anfängliches Gleichgewicht des Paares neutraler Kapazitäten in einem individuellen Beschleunigungssensor aufrechtzuerhalten.
Angesichts dessen ist es ein spezielles Ziel eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten kapazitiven Beschleunigungssensor zu schaffen, der entworfen ist, um baulich die Gleichgewichtseinstellung der stabilen, neutralen Kapazitäten zu erreichen. Um das oben angegebene Ziel zu erreichen, umfaßt das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors im wesentlichen ein Paar feststehender Elektroden, die einander mit einem gegebenen Zwischenraum gegenüberliegen, und eine bewegliche Membran, die neutral zwischen dem Paar stationärer Elektroden angeordnet ist, um ein Paar Kondensatoren mit neutralen Kapazitäten entsprechend den Flächen der feststehenden Elektroden zu definieren. Die bewegliche Membran reagiert auf eine äußere Beschleunigungskraft und ist einer Verschiebung von ihrer Neutralposition ausgesetzt Kennzeichnenderweise ist mindestens eine der stationären Elektroden aus einem elektrisch leitfähigen Muster zusammengesetzt, das eine einstellbare Flächengröße besitzt, die bewirkt, daß das Paar neutraler Kapazitäten miteinander ins Gleichgewicht gebracht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das elektrisch leitfähige Muster einen Hauptbereich mit einer festen Flächengröße und einen veränderlichen Bereich, der selektiv von dem Hauptbereich abgetrennt werden kann.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt mindestens eine der feststehenden Elektroden das elektrisch leitfähige Muster mit einer einstellbaren Fächengröße. Die Elektrodenflächengröße kann eingestellt werden, um das Paar neutraler Kapazitäten miteinander ins Gleichgewicht zu bringen. Nach dem Zusammenbauen einer Beschleunigungssensoreinrichtung wird nämlich in Abwesenheit einer externen Beschleunigungskraft eine neutrale Kapazität mit einem festen Wert gemessen. Dann wird die andere neutrale Kapazität gemessen. Danach wird die Fächengröße des elektrisch leitfähigen Musters entsprechend einer Differenz in den gemessenen Kapazitätswerten eingestellt. Diese Einstellung wird durch Abgleichen durchgeführt, so daß die neutralen Kapazitäten nach wiederholtem Abgleich miteinander im Gleichgewicht sind. Zum Beispiel umfaßt das elektrisch leitfähige Muster einen Hauptbereich mit fester Flächengröße und mehrere abgeteilte Felder, die selektiv aus dem Hauptbereich herausgeschnitten sind. Die einzelnen abgeteilten Felder sind entsprechend der Differenz in dem Paar gemessener neutraler Kapazitäten herausgeschnitten. Der Kapazitätswert ist proportional zur Elektrodenfläche. Die gesamte oder anfängliche Elektrodenfläche des einstellbaren Musters ist größer als die feste Elektrodenfläche des gegenüberliegenden stationären Elektrodenmusters festgesetzt. Daher ist der ursprüngliche Wert der veränderlichen neutralen Kapazität normalerweise größer festgelegt als der Wert der anderen neutralen Kapazität, um die Justierung sicherzustellen.
Im folgenden wird das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Da das zweite Ausführungsbeispiel grundsätzlich dem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel baulich ähnlich ist, wird die Beschreibung speziell im Hinblick auf kennzeichnende Merkmale des zweiten Ausführungsbeispiels gegeben. Als erstes zeigt Fig. 6A eine Ansicht von unten, die eine innere oder untere Fläche des oberen feststehenden Substrats 1 zeigt. Das obere Substrat 1 ist auf seiner unteren Seite mit einer ringförmigen stationären Elektrode 17u ausgebildet. Diese feststehende Elektrode 17u umfaßt ein elektrisch leitfähiges Schichtmuster, das zum Einstellen der Flächenabmessung der Elektrode abgeglichen werden kann. Das elektrisch leitfähige Schichtmuster besitzt nämlich einen Hauptbereich 171u mit einer festen Elektrodenfläche und mehrere abgeteilte Felder 172u, die selektiv von dem Hauptbereich 171u abgetrennt werden können. Die einzelnen abgeteilten Felder 172u sind durch Durchgangslöcher mit einem gemeinsamen Leitungsmuster 173u verbunden, das auf einer oberen Fläche des Substrats 1 ausgebildet ist. Das gemeinsame Leitungsmuster 173u ist an seinem einen Ende durch ein Durchgangsloch mit dem Hauptbereich 171u, der auf der Unterseite des Substrats 1 ausgebildet ist, verbunden. Durch diese Anordnung können die einzelnen abgeteilten Felder 172u selektiv zum Beispiel mittels Bestrahlung mit einem Laserstrahl von dem gemeinsamen Leitungsmuster 173u abgetrennt werden. Diese Trennarbeit wird auf der Oberseite des oberen feststehenden Substrats 1 durchgeführt, um den Einstellprozess zu erleichtern. In einem zentralen Bereich der Unterseite des Substrats 1 ist die Attrappe eines Schichtmusters 18u ausgebildet. Ein Gewindeloch 21 ist zentral durch das Substrat 1 für einen Gewindeeingriff mit einer Verbindungsschraube ausgebildet. Weiter sind in den jeweiligen Ecken des rechteckförmigen Substrats 1 vier Durchgangslöcher 16u zur Aufnahme paralleler Stifte ausgebildet.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Einstellung der Flächengröße der feststehenden Elektrode durch selektives Abtrennen der abgeteilten Felder 172u bewirkt. Allerdings kann auch eine andere Anordnung angewandt werden, so daß provisorisch abgetrennte Felder selektiv mit einem Hauptbereich verbunden werden, um so die Einstellung der Elektrodenflächengröße zu bewirken.
Fig. 6B ist eine Ansicht von oben, die eine innere verdeckte Fläche des unteren feststehenden Substrats zeigt. Wie in der Figur gezeigt, ist das untere stationäre Substrat in einem am Umfang befindlichen Bereich der Innenfläche mit einer unteren feststehenden Elektrode 30l ausgebildet. Diese Elektrode 30l besitzt eine gegebene Elektrodenfläche, die kleiner als die anfängliche oder gesamte Elektrodenfläche des elektrisch leitenden einstellbaren Musters festgesetzt ist. Zum Beispiel weist in diesem Ausführungsbeispiel die ringförmige untere stationäre Elektrode 30l einen Innendurchmesser auf, der etwas größer als der der ringförmigen oberen feststehenden Elektrode 17u festgesetzt ist. Wie zuvor erwähnt, ist eine Kapazität proportional zur Elektrodenfläche, die durch die obere feststehende Elektrode 17u ausgebildete Kapazität hat also bei diesem Ausführungsbeispiel ursprünglich einen größeren Wert als die andere, durch die untere stationäre Elektrode 30l ausgebildete Kapazität. Daher kann die Kapazitätsjustierung immer wirkungsvoll durchgeführt werden, indem man die abgeteilten Felder 172u selektiv abtrennt. Zusätzlich ist auf einem inneren zentralen Bereich des unteren feststehenden Substrats 2 ein Schichtmuster 32m ausgebildet, und ein Gewindeloch 34 ist zentral in dem Substrat 2 für einen Gewindeeingriff mit der Verbindungsschraube ausgebildet. Weiter sind in vier Ecken des unteren Substrats 2 Durchgangslöcher 16l für einen Eingriff mit den parallelen Stiften ausgebildet.
Das oben beschriebene zweite Ausführungsbeispiel besitzt einen elektrischen Aufbau, der dem in Fig. 5 gezeigten Schaltungsdiagramm des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich ist. Zur Erleichterung des Verständnisses Bezug nehmend auf die Fig. 5, wird daher die Beschreibung zuerst für die Tätigkeit der Justierung der neutralen Kapazitäten gegeben. Im zusammengebauten Zustand weist die erste neutrale Kapazität, die zwischen der oberen feststehenden Elektrode 17u und der beweglichen Elektrode 25m ausgebildet ist, allgemein einen größeren Wert auf als die zweite neutrale Kapazität, die zwischen der unteren stationären Elektrode 30l und der beweglichen Elektrode 25m ausgebildet ist. Im Zustand fehlender äußerer Beschleunigung wird zuerst eine Kapazität zwischen dem zweiten Eingangskontakt 54l und dem Ausgangskontakt 54m gemessen. Als nächstes wird zwischen dem ersten Eingangskontakt 54u und demselben Ausgangskontakt 54m eine andere Kapazität gemessen. Die obere feststehende Elektrode 17u wird entsprechend der Differenz in den gemessenen Kapazitätswerten abgeglichen, um schließlich das Paar Kapazitäten miteinander ins Gleichgewicht zu bringen.
Im Betrieb wird der Eingangskontakt 54u mit einem Rechteckpuls-Signal versorgt und der andere Eingangskontakt 54l wird durch die Wechselstromsignalquelle 55 mit einem anderen Rechteckpuls-Signal versorgt, das die gleiche Amplitude und eine phasendifferenz von 180º besitzt. Bei Abwesenheit einer externen Beschleunigungskraft besitzt das Paar Kondensatoren, da sich die bewegliche Elektrode 25m in der neutralen Position befindet, den gleichen Kapazitätswert, so daß der Ausgangskontakt 54m eine Nullniveau-Ausgangsspannung erzeugt. Auf die Anwendung einer äußeren Beschleunigungskraft hin ist der bewegliche Abschnitt 25m einer Verschiebung entsprechend der Richtung und dem Betrag der angewandten Kraft ausgesetzt, um dadurch die Kapazitätswerte aus dem Gleichgewicht zu bringen. Als Folge davon erzeugt der Ausgangskontakt 54m ein Ausgangsspannungssignal mit einer bestimmten Phase, die der Richtung der Verschiebung entspricht, und einer bestimmten Amplitude, die proportional zum Betrag der Verschiebung ist. Die Betriebsschaltung bewirkt, daß die Phase und Amplitude des Ausgangsspannungssignals elektrisch verarbeitet werden, um die Richtung und den Betrag der wahrgenommenen Beschleunigung zu überwachen.
Wie oben beschrieben, umfaßt gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zumindest eine der feststehenden Elektroden ein elektrisch leitfähiges Muster, das auf dem feststehenden Substrat ausgebildet ist und das eine einstellbare Flächengröße besitzt. Die Größenabmessung wird eingestellt, um so das Paar neutraler Kapazitäten ins Gleichgewicht zu bringen. Durch diese Konstruktion besitzt der kapazitive Beschleunigungssensor einen stabilen neutralen Arbeitspunkt, der im wesentlichen frei von Veränderungen durch die Umgebungstemperatur ist. Insbesondere weist die elektrisch leitfähige Membran einen fixierten Zentralabschnitt und einen freien Umfangsabschnitt zur Ausbildung einer beweglichen Elektrode auf, wodurch eine Veränderung oder Schwankung des Neutralpunktes unterdrückt wird.
Das folgende dritte Ausführungsbeispiel besitzt das Merkmal, daß ein Paar feststehender Elektroden auf den jeweiligen am Umfang befindlichen, inneren Oberflächen eines Paares stationärer Substrate, die einander gegenüberliegen, ausgebildet ist. Eine Membran umfaßt eine elektrisch leitfähige Platte mit einem Zentralabschnitt und einem Umfangsabschnitt, der federnd mit dem Zentralabschnitt gekoppelt ist. Der zentrale Abschnitt ist zwischen zentralen Bereichen der gegenüberliegenden feststehenden Substrate festgehalten und unterstützt, und der Umfangsabschnitt oder die bewegliche Elektrode ist elektrisch leitend mit dem Zentralabschnitt verbunden, welcher mit einem Kontaktbelagmuster, das auf einem Zentralbereich der inneren Oberfläche wenigstens eines der stationären Substrate ausgebildet ist, elektrisch in Kontakt steht.
Zusätzlich besitzt der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor des dritten Ausführungsbeispiels eine Schichtstruktur, die der Reihe nach eine Leiterplatte mit einem Leitungsmuster zum Anschluß nach außen, ein feststehendes Substrat, eine Membran und ein anderes feststehendes Substrat umfaßt. Die stationäre Elektrode und das Kontaktschichtmuster sind mittels Mustern mit Durchgangslöchern, die auf jeweiligen Schichten der geschichteten Struktur ausgebildet sind, elektrisch mit dem Leitungsmuster verbunden.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Membran einen Umfangsabschnitt oder eine bewegliche Elektrode in Form eines beispielsweise ringförmigen Abschnitts auf, der auf eine externe Beschleunigungskraft reagiert und so einer Verschiebung ausgesetzt ist. Dieser ringförmige Abschnitt wird als Unterstützung mit freiem Ende von dem zentralen Abschnitt der Membran gehalten und ist daher frei von Deformationen in der Umgebung. Zusätzlich wird durch den Zentralabschnitt der elektrisch leitenden Membran für den elektrischen Leitungspfad zu dem ringförmigen Umfangsabschnitt gesorgt, wodurch im Gegensatz zum Stand der Technik die Verwendung eines zusätzlichen Bauteils, beispielsweise eines Leiterdrahtes, nicht mehr notwendig ist und somit die Linearität der Reaktion der beweglichen Elektrode auf eine äußere Beschleunigungskraft nicht behindert ist.
Im folgenden wird mit Bezug auf die Zeichnungen das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschreiben. Fig. 7 ist eine schematische Darstellung - teilweise im Querschnitt -, die das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kapazitiven Beschleunigungssensors zeigt. Wie in der Figur gezeigt, besitzt der Beschleunigungssensor ein Paar feststehender Substrate 1 und 2, die einander mit einem vorgegebenen Zwischenraum gegenüberliegen. Das obere stationäre Substrat 1 ist im am Umfang befindlichen Bereich seiner abgewandten Oberfläche mit einer feststehenden Elektrode ausgebildet. Das untere feststehende Substrat 2 ist ebenfalls in seinem verdeckten, am Umfang befindlichen Bereich mit einer anderen stationären Elektrode ausgebildet. Eine Membran 3, die aus einer in Abschnitte geteilten elektrisch leitenden Platte zusammengesetzt ist, ist zwischen dem Paar feststehender Substrate angeordnet. Diese Membran 3 besitzt einen Zentralabschnitt und einen Umfangsabschnitt, der elastisch mit dem Zentralabschnitt gekoppelt ist. Der am Umfang befindliche Abschnitt bildet eine bewegliche Elektrode, die sich in dem Zwischenraum zwischen dem Paar feststehender Elektroden befindet, um ein Paar von Kondensatoren auszubilden, und reagiert auf eine externe Beschleunigungskraft und ist so einer Verschiebung relativ zu den stationären Elektroden in komplementärer Art und Weise ausgesetzt, um eine relative Kapazitätsänderung des Kondensatorpaares zu erzeugen. Der Zentralabschnitt der Membran 3 ist zwischen gegenüberliegenden zentralen Bereichen des Paares stationärer Substrate 1 und 2 fixiert. Weiter ist der am Umfang befindliche Abschnitt der Membran 3, d. h. die bewegliche Elektrode elektrisch mit einer Leiterplatte 5 durch den Zentralabschnitt der Membran 3 verbunden, die in Kontakt mit einem Kontaktbelagmuster angeordnet ist, welches in einem verdeckten zentralen Bereich eines der feststehenden Substrate 1 und 2 ausgebildet ist.
Der Beschleunigssensor ist weiter mit der Leiterplatte 5 ausgestattet, die mit einem Leitungsmuster zum äußeren elektrischen Anschluß ausgebildet ist. Die Leiterplatte 5 ist der Reihenfolge nach schichtweise mit dem unteren stationären substrat 2, der Membran 3 und dem oberen feststehenden Substrat 1 angeordnet, um dadurch einen Schichtaufbau auszubilden. Die bewegliche Elektrode ist durch den zentralen Abschnitt, der in Kontakt mit dem im verdeckten Bereich eines der feststehenden Substrate 1 und 2 ausgebildeten Kontakt schichtmuster angeordnet ist, elektrisch leitend mit der Leiterplatte verbunden. Die am Rand des stationären Substrats ausgebildete feststehende Elektrode und das im Zentrum der feststehenden Elektrode ausgebildete Kontaktbelagmuster sind durch Durchgangslochmuster, die in jeder Schicht der Schichtstruktur ausgebildet sind, elektrisch mit der Leiterplatte 5 verbunden.
Eine Klemme 6 ist an einem Endbereich der Leiterplatte 5 zum elektrischen Anschluß an eine externe Betriebsschaltung montiert. Weiter ist eine Kontaktplatte 7, die auf ihrer Ober- und Unterseite mit einem Durchgangslochmuster ausgebildet ist, zwischen der Leiterplatte 5 und dem unteren feststehenden Substrat 2 angeordnet. Zusätzlich ist der Zentralabschnitt der Membran 3 fest zwischen ein Paar elektrisch leitfähiger Abstandshalter 8 und 9 eingefügt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine stationäre Elektrode, die in dem verdeckten, am Umfang befindlichen Bereich des oberen stationären Substrats 1 ausgebildet ist, durch ein elektrisch leitfähiges Bauteil, wie beispielsweise einen durch die Schichtstruktur hindurchgehenden Stift lou, elektrisch leitend mit der Leiterplatte 5 verbunden.
Die geschichtete Struktur ist in einem Gehäuse 11 enthalten und auf der Leiterplatte 5 befestigt. Das Gehäuse 11 ist von einer Hülle 12 umgeben. Die Schichtstruktur ist mittels einer Verbindungsschraube 13, die zentral durch die Schichtstruktur hindurchgeht, direkt an dem Gehäuse 11 festgemacht. Bei dieser Konstruktion sind eine Blattfeder 14 und eine Unterlegscheibe 15 zwischen einem unteren Ende eines Kopfes der Schraube 13 und einem oberen Ende des oberen stationären Substrats 1 eingefügt, um so die jeweiligen Schichten der geschichteten struktur aufeinanderzupressen. Zusätzlich verbinden mehrere parallele Stifte 16 das Paar feststehender Substrate 1 und 2 miteinander, um die parallele Lage aufrechtzuerhalten. Diese Parallelen Stifte bewirken auch ein Unterdrücken resonanter Schwingung. Die parallelen Stifte 16 haben eine an die Abstandshalter 8 und 9 und die Membran 3 angepaßte spezifische thermische Expansionsrate, um so die thermische Belastung der geschichteten Struktur in der vertikalen Richtung aufzunehmen.
Bei der oben beschriebenen Schichtstruktur sind alle Elektroden elektrisch leitend mit der Leiterplatte 5 verbunden. Die Leiterplatte 5, die Kontaktplatte 7, die feststehenden Substrate 1 und 2, die Abstandshalter 8 und 9 und die Membran 3 werden aufeinandergepreßt, um für einen elektrischen Leitungspfad zu sorgen. Diese Schichten der ebenen Bauteile werden zusammen mittels der Verbindungsschraube 13 und der Blattfeder 14 an dem Gehäuse 11 befestigt, um so auf jede Schicht einen beständigen Druck auszuüben. Als Ausnahme ist die im abgewandten Randbereich des oberen stationären Substrats 1 ausgebildete feststehende Elektrode direkt durch den Leitungsstift 10u mit der Leiterplatte 5 elektrisch verbunden, um so die Leitungsmusteranordnung auf den verschiedenen Schichten zu vereinfachen. Weiter ist der empfindliche Teil auf der Leiterplatte 5 innerhalb des Gehäuses 11 befestigt, um eine Beschleunigungskraft nachzuweisen, während die Klemme 6 oder der Verbinder außerhalb des Gehäuses 11 auf der Leiterplatte 5 angeordnet ist. Daher kann selbst dann, wenn der Verbinder eine mechanische Kraft abbekommt, der empfindliche Teil der Wirkung der mechanischen Kraft entgehen.
Als nächstes wird mit Bezug auf die Fig. 8A bis Fig. 13 die Beschreibung einzeln für wichtige Bauteile, die bei dem erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor des dritten Ausführungsbeispiels verwendet werden, gegeben. Als erstes zeigen Fig. 8A und Fig. 8B das obere feststehende Substrat 1. Fig. 8A ist eine Aufsicht und Fig. 8B ist eine Untersicht. In den Figuren liegt die "Oberseite" der Hülle 12 gegenüber und die "Unterseite" liegt dem Gehäuse 11 gegenüber. Diese Darstellungweise wird im folgenden allgemein für verschiedene ebene Bauteile verwendet. Wie in Fig. 8B gezeigt, ist das obere stationäre Substrat 1 auf seiner verdeckten unteren Oberfläche entlang seines Umfangs mit einer unteren ringförmigen stationären Elektrode 17u ausgebildet. Weiter ist in einem Zentralbereich der Unterseite des Substrats 1 ein Attrappenbelagmuster 18u ausgebildet. Ein metallisiertes Durchgangsloch 19u ist in dem Muster der oberen feststehenden Elektrode 17u ausgebildet. Ein freies Führungsloch 20u ist in einem Muster des Attrappenmusters 18u ausgebildet, um den in Fig. 7 gezeigten Leitungsstift 18u hindurchzulassen. Eine Gewindeöffnung 21 ist zentral in dem Substrat 1 für einen Gewindeeingriff mit der in Fig. 7 gezeigten Verbindungsschraube 13 ausgebildet. Wie in Fig. 8A gezeigt, ist auf der Oberseite des Substrats 1 ein rechteckiges metallisiertes Muster 22u ausgebildet. Dieses rechteckförmige Muster 22u ist durch das metallisierte Durchgangsloch 19u elektrisch mit der feststehenden Elektrode 17u der Unterseite verbunden. Bei dieser Konstruktion ist der Leitungsstift 10u in das freie Loch 20u eingeführt und ein oberer Bereich des Stifts 10u ist mit dem rechteckigen Muster 22u verlötet, um eine Verbindung zwischen dem Stift 10u und der ringförmigen stationären Elektrode 17u zu schaffen.
Fig. 9 zeigt eine Ansicht des Abstandshalters 8. Der Abstandshalter 8 ist zentral mit einer Öffnung 23 ausgebildet, um die Verbindungsschraube 13 hindurchgehenzulassen, und ist am Rande mit einer Ausnehmung 24 ausgebildet, um den Leitungsstift 10u freizuhalten. Der Abstandshalter 8 besteht aus elektrisch leitfähigem Material. Obwohl in den Zeichnungen nicht gezeigt, weist der andere Abstandshalter 9 die gleiche Form und den gleichen Aufbau auf.
Fig. 10 zeigt eine Ansicht der Membran 3. Diese Membran 3 besteht aus elastischem Metallmaterial, wie beispielsweise Beryllium-Kupfer oder rostfreiem Stahl, und umfaßt einen ringförmigen Umfangsabschnitt 25m und einen Zentralabschnitt 26. Der am Umfang befindliche Abschnitt 25m wird federnd durch mehrere Blattfederstücke 27 von dem zentralen Abschnitt 26 gestützt. Wenn man den Zentralabschnitt 26 fixiert, spricht der Umfangsabschnitt 25m daher frei auf eine vertikale Komponente einer externen Beschleunigungskraft an und unterliegt so einer vertikalen Verschiebung proportional zum Betrag der Beschleunigungskraft. Der festgehaltene zentrale Abschnitt 26 ist zentral mit einer Öffnung 28 ausgebildet, um die Verbindungsschraube 13 hindurchzulassen. Zusätzlich ist auch ein freies Loch 29 ausgebildet, um den Stift 10u klar zu halten. Weiter weist der zentrale Abschnitt 26 einen Außendurchmesser auf, der im wesentlichen gleich dem des Abstandshalters 8 ist. Dieser zentrale Abschnitt 8 ist auf beiden Seiten von dem Paar Abstandshalter 8 und 9 bedeckt.
Die Figuren 11A und 11B zeigen eine Form des unteren feststehenden Substrats 2. Figur 11A ist eine Draufsicht, und Fig. 11B ist eine Untersicht. Wie in Fig. 11A gezeigt, ist das Substrat 2 auf seiner Oberseite entlang seines Randes mit einer ringförmigen unteren stationären Elektrode 30l ausgebildet. Ein metallisiertes Durchgangsloch 31l ist ausgebildet, um leitend mit dem unteren stationären Elektrodenmuster zu verbinden. Weiter ist ein scheibenähnlicher Kontaktbelag 32m zentral auf der Oberseite des Subtrats 2 ausgebildet. Diese Kontaktschicht 32m steht durch den Abstandshalter 9 in elektrischem Kontakt mit dem zentralen Abschnitt 26 der Membran 3. Ein metallisiertes Durchgangsloch 33m ist ausgebildet, um leitend mit dem Kontaktbelagmuster 32m zu verbinden. Zusätzlich ist das Substrat 2 in seinem zentralen Bereich mit einem Gewindeloch 34 im Gewindeeingriff mit der Verbindungsschraube 13 ausgebildet, und mit einem freien Loch 35 zum Hindurchlassen des Stifts lou. Wie in Fig. 11B gezeigt, ist ein Leitungsmuster 361 auf der Unterseite des Substrats 2 ausgebildet und ist mittels des Durchgangslochs 31l elektrisch leitfähig mit der unteren stationären Elektrode 30l verbunden. Weiter ist dort ein anderes Leitungsmuster 37m ausgebildet, welches durch ein Durchgangsloch 33m elektrisch leitend mit der auf der Oberseite ausgebildeten Kontaktschicht 32m verbunden ist. Zusätzlich ist ein Paar von Attrappenmustern 38 auf der Unterseite ausgebildet.
Fig. 12A zeigt eine Aufsicht der Kontaktplatte 7, und Fig. 12B zeigt eine Untersicht derselben Platte. Wie in den Figuren gezeigt, ist die Kontaktplatte 7 auf ihrer Oberseite mit einem Leitungsmuster 39l ausgebildet, das ein metallisiertes Durchgangsloch 40l enthält. Die Platte 7 ist mit einem anderen Leitungsmuster 41m ausgebildet, das ein metallisiertes Durchgangsloch 42m enthält. Die Kontaktplatte 7 besitzt in ihrem zentralen Bereich eine Öffnung 43, um die Verbindungsschraube 13 hindurchzulassen, und eine Ausnehmung 44, um den Leitungsstift 10u freizuhalten. Zusätzlich ist ein Paar von Attrappenmustern 45 auf der Kontaktplatte 7 ausgebildet. Das Leitungsmuster 39l ist in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Leitungsmuster 36l angeordnet, das auf der Unterseite des unteren stationären Substrats 2 ausgebildet ist. Das andere Leitungsmuster 41m ist ähnlich in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Leitungsmuster 37m angeordnet, das auf der Unterseite des unteren Substrats 2 ausgebildet ist. Wie in Fig. 12B gezeigt, ist die Kontaktplatte 7 auf ihrer Unterseite mit einem Leitungsmuster 461 ausgebildet, das durch das metallisierte Durchgangsloch 46l elektrisch leitfähig mit dem oberen Leitungsmuster 39l verbunden ist. Die Kontaktplatte 7 weist ein anderes unteres Leitungsmuster 47m auf, das mittels des Durchgangslochs 42m elektrisch leitend mit dem oberen Leitungsmuster 41m verbunden ist.
Als letztes zeigt Fig. 13 eine Aufsicht der Leiterplatte. Wie in der Figur gezeigt, ist die Leiterplatte 5 in ihrem verdeckten Bereich, der innerhalb des Gehäuses 11 angeordnet ist, mit Schichtmustern 48l und 49m ausgestattet. Das Belagmuster 481 ist in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Leitungsmuster 46l angeordnet, das auf der Unterseite der Kontaktplatte 7 ausgebildet ist. Das andere Belagmuster 49m ist ähnlich in direktem Kontakt mit dem gegenüberliegenden Leitungsmuster 47m angeordnet, das auf der Unterseite der Kontaktplatte 7 ausgebildet ist. Ein Paar von Attrappenschichten 50 sind zusätzlich ausgebildet. Weiter besitzt die Leiterplatte 5 ein metallisiertes Durchgangsloch 51u, das im Eingriff mit dem Leitungsstift 10u angeordnet ist. Eine Gewindeöffnung 52 ist zentral in der Leiterplatte 5 für einen Gewindeeingriff mit der Verbindungsschraube 13 ausgebildet. Weiter ist ein Paar von Durchgangslöchern 53g und 53g' ausgebildet, durch die die Leiterplatte 5 an dem Gehäuse 11 festgemacht ist. Fünf Durchgangslochflächenmuster 54u, 54l, 54m, 54g und 54g' sind auf einem freiliegenden Teil der Leiterplatte 5 ausgebildet, der außerhalb des Gehäuses 11 angeordnet ist. Die in Fig. 7 gezeigte Verbindungsklemme 6 oder der Verbinder ist mit diesen metallisierten Durchgangslochflächenmustern verlötet. Obwohl nicht in der Figur gezeigt, ist die Leiterplatte 5 auf ihrer Unterseite mit Leitungsmustern ausgebildet, durch die das Belagmuster 481 mit dem Durchgangslochflächenmuster 54l verbunden ist, das Durchgangslochmuster 51u mit dem Durchgangslochflächenmuster 54u verbunden ist, das Belagmuster 49m mit dem Durchgangslochflächenmuster 54m verbunden ist, das Durchgangslochmuster 53g mit dem Durchgangslochflächenmuster 54g verbunden ist, und das Durchgangslochmuster 53g' mit dem Durchgangslochflächenmuster 54g' verbunden ist.
Die elektrische Verbindung der Elektroden des Ausführungsbeispiels der Fig. 7 ist im wesentlichen identisch mit der des in Fig. 5 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels. Zu Erläuterungszwecken Bezug nehmend auf Fig. 5, bezeichnet daher ein durch die gestrichelte Linie eingeschlossener Teil die Sensoreinrichtung, und der verbleibende Teil bezeichnet eine äußere Betriebsschaltung. Wie in der Figur gezeigt, ist die obere feststehende Elektrode 17u mit dem entsprechenden&sub1; auf der Leiterplatte 5 ausgebildeten Durchgangslochflächenmuster 54u durch einen Leitungspfad verbunden, der der Reihe nach das Durchgangsloch 19u, das rechteckförmige Leitungsmuster 22u, die Führungsöffnung 20u, den Leitungsstift lou und das Durchgangslochmuster 51u umfaßt. Die untere feststehende Elektrode 30l ist mit dem entsprechenden Klemmenmuster 54l durch einen Leitungspfad verbunden, der der Reihe nach das Durchgangsloch 31l, das Leitungsmuster 36l, das Leitungsmuster 39l, das Durchgangsloch 40l, das Leitungsmuster 46l und das Leitungsmuster 48l umfaßt. Die bewegliche Elektrode 25m ist mit dem entsprechenden Klemmenmuster 54m durch einen Leitungspfad verbunden, der der Reihe nach die Blattfedern 27, den zentralen Abschnitt 26 der Membran 3, den Abstandshalter 9, das Kontaktschichtmuster 32m, das Durchgangsloch 33m, das Leitungsmuster 37m, das Leitungsmuster 41m, das Durchgangsloch 42m, das Leitungsmuster 47m und das Leitungsmuster 49m umfaßt. Das Gehäuse 11 und die Hülle 12 sind elektrisch mit dem Paar von Klemmenmustern 54g und 54 g' verbunden. Diese Verbindung wird ausgeführt, indem die Leiterplatte 5 durch das Paar Durchgangslöcher 53g und 53 g' mittels Schrauben an dem Gehäuse 11 festgemacht wird.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor ist insbesondere geeignet, um eine relativ kleine Beschleunigungskraft unterhalb von einigen g in einem Bandbereich unterhalb von einigen 10 Hz genau nachzuweisen, während er z.B. auf einem Fahrzeug montiert ist. Daher wird die Sensoreinrichtung normalerweise wie gewöhnliche elektronische Komponenten behandelt und benötigt daher einen feuchtigkeitsfesten und korrosionsfesten Aufbau. Angesichts dessen besteht die Membran vorzugsweise aus rostfreiem Stahl. Der Leitungsstift sollte mittels Zinn metallisiert sein, um eine beständige elektrische Verbindung sicherzustellen. Die auf den ebenen Bauteilen ausgebildeten Leitungsmuster und Durchgangslochflächenmuster sollten mittels Zinn oder Gold beschichtet sein. Die Hülle und das Gehäuse sollten mittels eines Aluminiumoxidfilms beschichtet sein. Weiter kann vorzugsweise nach dem Zusammenbau einer Beschleunigungssensoreinrichtung feuchtigkeitsfestes Silikonharz in Spalten zwischen der Hülle und dem Gehäuse und der Leiterplatte gefüllt werden, um die Sensoreinrichtung abzudichten.
Wie oben beschrieben, sind die ebenen Bauteile gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung aufeinandergeschichtet und werden mittels Druck durch eine gemeinsame Verbindungsschraube zusammen an dem Gehäuse fixiert, wodurch vorteilhafterweise die Montagearbeit erleichtert wird. Zusätzlich wird durch auf den Ober- und Unterseiten der ebenen Bauteile ausgebildete Leitungsmuster und durch metallisierte Durchgangslöcher für den elektrischen Anschluß der beweglichen Elektrode gesorgt, wodurch vorteilhafterweise eine externe Belastung, die durch die Verwendung einer Leitungsdrahtverbindung wie bei dem bekannten Aufbau nach dem Stand der Technik verursacht würde, vermieden wird.
Bei dem oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel sind mittels metallisierter Durchgangslöchern miteinander verbundene Leitungsmuster auf den Ober- und Rückseiten eines jeden ebenen Bauteils, das die Schichtstruktur bildet, mit ausgebildet. Durch direkten Kontakt gegenüberliegender Leitungsmuster zwischen den Schichten wird für die elektrische Verbindung gesorgt. Allerdings besitzen das Leitungs- oder Belagmuster und das ein Durchgangsloch umgebende Flächenmuster aufgrund der Bearbeitungsbehandlung auf derselben Fläche eine unterschiedliche Filmdicke. Falls benachbarte ebene Bauteile ohne Rücksicht auf diesen Filmdickenunterschied übereinander angeordnet würden, würde daher der Nachteil verursacht, daß eine genaue parallele Anordnung zwischen den Schichten nicht sichergestellt werden könnte. Wenn ein Fehler in einer parallelen Anordnung der geschichteten Struktur auftritt, kann die Nachweisgenauigkeit der Beschleunigungskraft nachteiligerweise beeinträchtigt sein. Insbesondere kann die bewegliche Elektrode nicht genau bei fehlender Beschleunigung in einer neutralen Position festgelegt werden, wodurch eine Abweichung erzeugt wird.
Angesichts dessen ist bei dem dritten Ausführungsbeispiel ein Flächenmuster eines jeden metallisierten Durchgangslochs nicht in Kontakt mit einer Fläche einer gegenüberliegenden Schicht angeordnet. Anders gesagt, wird der zuvor erwähnte direkte kontakt zwischen den Schichten nur zwischen einander gegenüberliegenden Leitungsmustern hergestellt, während das Flächenmuster eines jeden Durchgangslochs von einem gegenüberliegenden Leitungs- oder Belagmuster versetzt angeordnet ist. Selbst wenn das Flächenmuster eine größere Filmdicke als das Leitungsmuster besitzt, beeinflußt ihre Differenz die Leistung des Sensors daher nicht wirklich. Allgemein können Leitungsoder Schichtmuster mit einer einheitlichen Dicke über die gesamte Oberfläche eines ebenen Bauteils ausgebildet werden, so daß die parallele Lage zwischen benachbarten Schichten mit einem hohen Grad an Genauigkeit sichergestellt werden kann. Demgemäß kann eine Neigung der beweglichen Elektrode relativ zu den feststehenden Elektroden vermieden werden, wodurch ein Nachweisausgangssignal mit einer guten Linearität in Bezug auf eine äußere Beschleunigungskraft erzeugt wird.
Im einzelnen sind, wie Fig. 11B gezeigt, ein erstes Leitungsmuster 36l, ein zweites Leitungsmuster 37m und zwei Attrappenmuster 38 auf der Unterseite des Substrats 2 um die zentrale äffnung 34 herum ausgebildet. Diese vier Belagmuster weisen die gleiche Filmdicke auf, und die Attrappenmuster 38 sind insbesondere vorgesehen, um ein gleichmäßiges Kontaktgleichgewicht für den direkten Kontakt mit einer entgegengesetzten Oberfläche einer darüber befindlichen Schicht sicherzustellen. Das erste Leitungsmuster 36l ist elektrisch durch das metallisierte Durchgangsloch 31l mit der stationären Elektrode 30l verbunden. Ein Flächenmuster rund um das metallisierte Durchgangsloch 31l ist entfernt von dem ersten bogenförmigen Belagmuster 36l angeordnet. Das zweite Leitungsmuster 37m ist elektrisch durch das metallisierte Durchgangsloch 33m mit dem Kontaktbelag 32m verbunden, der auf der Oberseite des Substrats 2 ausgebildet ist. Ein das Durchgangsloch 33m umgebendes Flächenmuster ist entfernt von dem bogenförmigen Schichtmuster 37m angeordnet. Diese Flächenmuster sind besonders an den Kanten der Durchgangslochöffnung erhöht ausgebildet und besitzen daher eine Filmdicke, die größer ist als die der bogenförmigen Belagmuster.
Wie in Fig. 12A gezeigt, ist die Kontaktplatte 7 auf ihrer oberen Fläche weiter mit einem ersten bogenförmigen Schichtmuster 39l ausgebildet, das mit der Unterseite durch ein metallisiertes Durchgangsloch 40l verbunden ist. Die Platte 7 ist ebenfalls mit einem zweiten bogenförmigen Belagmuster 41m ausgebildet, das durch ein metallisiertes Durchgangsloch 42m mit der Rückseite elektrisch verbunden ist. Zusätzlich ist auf der Kontaktplatte 7 ein Paar von Attrappenschichtmustern 45 ausgebildet. Diese vier bogenförmigen Belagmuster entsprechen den auf der Rückseite des unteren feststehenden Subtrats 2 ausgebildeten und befinden sich in direktem Kontakt mit diesen. Das erste Belagmuster 39l der Kontaktplatte 7 ist nämlich in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Schichtmuster 36l angeordnet, das auf der Rückseite des unteren stationären Substrats 2 ausgebildet ist. Da das Durchgangsloch 40l beabstandet von dem Schichtmuster 39l angeordnet ist, besitzt es in dieser Anordnung keinen Kontakt mit dem gegenüberliegenden Schichtmuster 36l. In ähnlicher Art und Weise ist ein Flächenmuster um das Durchgangsloch 31l herum, das auf derselben Seite des Belagmusters 36l ausgebildet ist, ebenfalls entfernt von dem gegenüberliegenden Belagmuster 39l angeordnet. Der direkte Kontakt wird nämlich nur zwischen den Schichtmustern 36l und 39l mit einheitlicher Dicke hergestellt, während die Flächenmuster um die Durchgangslöcher 31l und 40l herum so angeordnet sind, daß sie dem direkten Kontakt entgehen.
Weiter stellt, wie in Fig. 13 gezeigt, ein erstes rechteckförmiges Schichtmuster 49m, das auf der Oberseite der Leiterplatte 5 ausgebildet ist, den direkten Kontakt mit dem Belagmuster 47m her, das auf der Rückseite der Kontaktplatte 7 ausgebildet ist. Bei dieser Anordnung erstreckt sich ein Flächenmuster von dem Belagmuster 47m um das Durchgangsloch 42m und ist frei ohne Kontakt mit dem rechteckförmigen Schichtmuster 49m angeordnet. Weiter stellt das zweite Schichtmuster 48l einen direkten Kontakt mit dem anderen bogenförmigen Belagmuster 46l her, das auf der Rückseite der Kontaktplatte 7 ausgebildet ist. In ähnlicher Weise erstreckt sich ein Flächenmuster von dem bogenförmigen Schichtmuster 46l um das Durchgangsloch 40l. Dieses Flächenmuster ist frei ohne Kontakt mit dem rechteckigen Belagmuster 48l angeordnet.
Wie oben beschrieben, ist gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Flächenmuster eines jeden Durchgangsloches ohne Kontakt mit einer gegenüberliegenden Seite einer darüber befindlichen Schicht angeordnet. Daher können benachbarte Schichten gleichmäßig übereinandergeschichtet werden, während der Effekt des Hervorstehens der Flächenmuster vermieden wird, um den hohen Grad der Parallelität der geschichteten Konstruktion zu sichern, wodurch die Linearität des Beschleunigungssensorausgangssignals wirkungsvoll verbess sert wird und dessen Abweichung ausgeschaltet wird.
Die zuvor beschriebenen kapazitiven Beschleunigungssensoren können nur eine einachsige Beschleunigungskraft oder eine lineare Beschleunigungskomponente nachweisen, die von außen senkrecht zu den feststehenden Elektroden angewandt wird, aber können nicht eine Winkelbeschleunigungskomponente nachweisen, die von außen um eine vorgegebene Rotationsachse herum angewandt wird. Allerdings wäre es bei einigen Verwendungen des Sensors wünschenswert, gleichzeitig eine lineare Beschleunigungskomponente und eine Winkelbeschleunigungskomponente nachzuweisen. Angesichts dessen ist es eine spezielle Aufgabe des vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten kapazitiven Beschleunigungssensor zu schaffen, der gleichzeitig lineare und Winkelbeschleunigungskomponenten nachweisen kann. Um dieses Ziel zu erreichen, umfaßt das vierte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors ein Paar feststehender Substrate, die einander in einer vorgegebenen Richtung einer linearen Achse mit einem vorgegebenen Zwischenraum gegenüberliegen. Eine Gruppe zweier stationärer Elektroden ist auf einer abgewandten Fläche eines feststehenden Substrates ausgebildet und voneinander entlang einer Rotationsachse getrennt, die senkrecht zu der linearen achse angeordnet ist. Eine andere Gruppe zweier feststehender Elektroden ist auf einer abgewandten Fläche des anderen stationären Substrats ausgebildet und zumindest weitgehend dekkungsgleich mit der einen Gruppe feststehender Elektroden angeordnet, um jeweils ein Paar zweier gegenüberliegender stationärer Elektroden zu bilden. Eine bewegliche Elektrode, die von einer elektrisch leitfähigen Platte gebildet wird, ist zwischen der einen Gruppe feststehender Elektroden und der anderen Gruppe stationärer Elektroden angeordnet. Die bewegliche Elektrode spricht auf eine lineare Beschleunigungskomponente entlang der linearen Achse und auf eine Winkelbeschleunigungskomponente um die Rotationsachse an und unterliegt einer Verschiebung.
Gemäß der oben beschriebenen Konstruktion wird eine horizontale Gruppe von zwei variablen Kondensatoren zwischen der beweglichen Elektrode und einer Gruppe der zwei koplanaren stationären Elektroden ausgebildet. Wenn eine externe Winkelbeschleunigungskraft um eine horizontale Rotationsachse angewendet wird, verschiebt sich die bewegliche Elektrode winkelmäßig, um einen Kapazitätsunterschied in der horizontalen Gruppe veränderlicher Kondensatoren hervorzurufen. Die äußere Winkelbeschleunigungskraft wird als Polarität und Betrag des Kapazitätsunterschiedes nachgewiesen. Andererseits ist ein vertikales Paar zweier veränderlicher Kondensatoren zwischen der beweglichen Elektrode und einem Paar zweier gegenüberliegender stationärer Elektroden ausgebildet. Wenn eine äußere lineare Beschleunigungskraft entlang einer vertikalen linearen Achse angewandt wird, wird die bewegliche Elektrode linear verschoben, um eine Kapazitätsdifferenz in dem vertikalen Paar veränderlicher Kondensatoren hervorzurufen. Die externe lineare Beschleunigungskraft wird als Polarität und Betrag der Kapazltätsdifferenz nachgewiesen. So können die Winkel- und die linearen Beschleunigungskräfte gleichzeitig nachgewiesen werden.
Im folgenden wird unter Bezug auf die Zeichnungen das vierte ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Fig. 14 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die das vierte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors zeigt. Wie in der Figur gezeigt, weist der Beschleunigungssensor ein Paar stationärer Substrate 1 und 2 auf, die einander in einer Richtung einer gegebenen vertikalen linearen Achse mit einem vorgegebenen Zwischenraum gegenüberliegen. Das obere feststehende Substrat 1 ist in seinem am Umfang befindlichen Bereich seiner verdeckten Fläche mit einer Gruppe zweier stationärer Elektroden ausgebildet. Diese Gruppe feststehender Elektroden ist voneinander entlang einer gegebenen horizontalen Rotationsachse getrennt. Das untere stationäre Substrat 2 ist ebenfalls in seinem abgewandten, am Umfang befindlichen Flächenbereich mit einer anderen Gruppe zweier feststehender Elektroden ausgebildet. Diese andere Gruppe feststehender Elektroden liegt einzeln zumindest weitgehend deckungsgleich der einen Gruppe stationärer Elektroden gegenüber, um jeweils ein vertikales Paar zweier feststehender Elektroden zu bilden. Eine Membran 3, die aus einer in Abschnitte geteilten elektrisch leitenden Platte gebildet ist, ist zwischen dem Paar stationärer Substratflächen 2 angeordnet. Diese Membran 3 besitzt einen festgehaltenen Zentralabschnitt und einen Umfangsabschnitt, der elastisch mit dem Zentralabschnitt gekoppelt ist. Der Umfangsabschnitt bildet eine bewegliche Elektrode, die auf eine Winkelbeschleunigungskraft um die Rotationsachse und auf eine lineare Beschleunigungskraft entlang der linearen Achse anspricht und so einer Verschiebung relativ zu den feststehenden Elektroden unterliegt.
Der Beschleunigungssensor verfügt weiter über eine Leiterplatte 5, die mit einem Leitungsmuster für den äußeren elektrischen Anschluß ausgebildet ist. Die Leiterplatte 5 trägt eine Klemme 6 für die äußere Verbindung und ist der Reihe nach mit dem unteren stationären Substrat 2, der Membran 3 und dem oberen feststehenden Substrat 1 geschichtet, um dadurch eine Schichtstruktur zu bilden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Kontaktplatte 7 zusätzlich zwischen das untere feststehende Substrat 2 und die Leiterplatte 5 eingefügt. Einige der feststehenden Elektroden und die bewegliche Elektrode sind durch Muster mit Durchgangslöchern, die an jeder Schicht der geschichteten Struktur ausgebildet sind, mit der Klemme 6 für den äußeren Anschluß elektrisch leitend verbunden.
Der Zentralabschnitt der Membran 3 ist von beiden Seiten sicher zwischen dem Paar stationärer Substrate 1 und 2 von einem Paar elektrisch leitfähiger Abstandshalter 8 und 9 bedeckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Gruppe der zwei feststehenden Elektroden, die auf dem abgewandten Bereich des oberen feststehenden Substrats ausgebildet sind, elektrisch direkt durch Stifte 10ux und 10uy mit der Leiterplatte 5 verbunden, um die Anordnung der Leitungsmuster auf den Schichten zu vereinfachen. Die Schichtstruktur ist montiert auf der Leiterplatte 5 in einem Gehäuse 11 enthalten. Das Gehäuse 11 ist von einer Hülle 12 umschlossen. Die geschichtete Struktur ist mittels einer Verbindungsschraube 13, die zentral durch die geschichtete Struktur entlang der vertikalen Achse hindurchgeht, direkt an dem Gehäuse 11 festgemacht. Bei einer solchen Konstruktion sind eine Blattfeder 14 und eine Unterlegscheibe 15 zwischen eine Unterseite eines Kopfes der Schraube 13 und eine Oberseite des oberen feststehenden Substrats 1 eingefügt, um so die jeweiligen Schichten der Schichtstruktur aufeinanderzupressen. Zusätzlich ist das Paar feststehender Substrate 1 und 2 durch mehrere parallele Stifte 16 miteinander verbunden, um die parallele Anordnung aufrechtzuerhalten.
Als nächstes wird unter Bezug auf die Fig. 15A bis Fig. 20 die Beschreibung einzeln für wichtige Bestandteile, die bei dem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors verwendet werden, gegeben. Die Fig. 15a und Fig. 15B zeigen das obere stationäre Substrat 1. Fig. 15A ist eine Aufsicht und Fig. 15b ist eine Untersicht. In den Figuren liegt die "Oberseite" der Hülle 12 gegenüber, und die "Unterseite" liegt dem Gehäuse 11 gegenüber. Diese Darstellungsweise wird im folgenden allgemein für verschiedene ebene Komponenten benutzt werden. Wie in Fig. 15B gezeigt, ist das obere feststehende Substrat 1 auf seiner Unter- oder Rückseite entlang seines Umfangs mit einer Gruppe ringförmiger oberer stationärer Elektroden ausgebildet. Diese Gruppe umfaßt zwei feststehende Elektroden 17ux und 17uy, die voneinander entlang einer vorgegebenen horizontalen Rotationsachse getrennt sind, die senkrecht zu einer gegebenen vertikalen linearen Achse liegt, welche senkrecht zu der Zeichenebene angeordnet ist. Weiter ist auf einem zentralen Bereich der Rückseite des Substrats 1 ein Attrappenschichtmuster 18u ausgebildet. Ein metallisiertes Durchgangsloch 19ux ist in dem Muster der oberen feststehenden Elektrode 17ux ausgebildet. Ähnlich ist ein anderes metallisiertes Durchgangsloch 19uy in einem Muster der anderen stationären Elektrode 17uy ausgebildet. Zusätzlich sind Durchgangslöcher 20ux und 20uy in einem Muster des Attrappenschichtmusters 18u ausgebildet, um jeweils die Leitungsstifte 10ux und 10uy hindurchzulassen. Eine Gewindeöffnung 21 ist zentral in dem Substrat 1 für einen Gewindeeingriff mit der Verbindungsschraube 13 ausgebildet. Weiter sind in jeweiligen Ecken des rechteckigen Substrats 1 vier Öffnungen für den Eingriff mit den parallelen Stiften 16 ausgebildet.
Wie in Fig. 15A gezeigt, sind auf der freiliegenden Oberseite des Substrats 1 rechteckförmige metallisierte Muster 22ux und 22uy ausgebildet. Dieses rechteckige Leitungsmuster 22ux ist elektrisch durch das metallisierte Durchgangsloch 19ux mit der feststehenden Elektrode 17ux der Rückseite verbunden. Die andere feststehende Elektrode 17uy ist elektrisch mit dem anderen rechteckförmigen Leitungsmuster 22uy verbunden. Bei dieser Konstruktion ist der Leitungsstift 10ux in das freie Loch 20ux eingeführt, und ein oberer Bereich des Stifts 10ux ist mit dem rechteckigen Leitungsmuster 22ux verlötet. Der andere Leitungsstift 10uy ist in das entsprechende freie Loch 20uy eingeführt und ist mit dem anderen rechteckförmigen Leitungsmuster 22uy verlötet.
Fig. 16 zeigt eine Ansicht des Abstandshalters 8. Der Abstandshalter 8 ist zentral mit einer Öffnung 23 ausgebildet, um die Verbindungsschraube 13 hindurchgehenzulassen und ist am Umfang mit Ausnehmungen 24x und 24y ausgebildet, um die jeweiligen Leitungsstifte 10ux und 10uy freizuhalten.
Fig. 17 zeigt eine Ansicht der Membran 3. Dieses Bauteil 3 umfaßt einen ringförmigen, am Umfang befindlichen Abschnitt 25m und einen zentralen Abschnitt 26. Der Umfangsabschnitt 25m ist federnd durch mehrere Blattfederstücke 27 von dem Zentralabschnitt 26 in Form einer Unterstützung mit freiem Ende gehalten, um die bewegliche Elektrode zu bilden. Daher kann, wenn der Zentralabschnitt 26 fixiert ist, der Umfangsabschnitt 25m einer vertikalen linearen Verschiebung entlang der linearen Achse ausgesetzt sein und kann einer Winkel- oder Schrägverschiebung um die Rotationsachse ausgesetzt sein. Der Zentralabschnitt 26 ist zentral mit einer Öffnung 28 ausgebildet, um die Verbindungsschraube 13 hindurchgehenzulassen. Zusätzlich sind freie Löcher 29x und 29y getrennt ausgebildet, um die Stifte 10ux und 10uy freizuhalten. Der zentrale Abschnitt 26 weist einen Außendurchmesser auf, der im wesentlichen identisch mit dem des Abstandshalters 8 ist. Dieser Zentralabschnitt 26 ist zwischen das Paar Abstandshalter 8 und 9 eingefügt, so daß die bewegliche Elektrode 25m durch die Blattfederstücke 27 mit dem Abstandshalter 9 elektrisch verbunden ist.
Fig. 18A ist eine Draufsicht auf das untere feststehende Substrat 2, und Fig. 18B ist eine Untersicht davon. Wie in Fig. 18A gezeigt, ist das Substrat 2 auf seiner verdeckten Oberseite entlang seines Randes mit einer ringförmigen Gruppe zweier unterer stationärer Elektroden 30lx und 30ly ausgebildet, die durch die Rotationsachse getrennt sind. Ein metallisiertes Durchgangsloch 31lx ist in der unteren feststehenden Elektrode 30lx ausgebildet, und ein anderes metallisiertes Durchgangsloch 31ly ist in der anderen unteren feststehenden Elektrode 30ly ausgebildet. Die untere feststehende Elektrode 30lx liegt zumindest im wesentlichen deckungsgleich der oberen feststehenden Elektrode 17ux gegenüber, um ein vertikales Paar auszubilden. In ähnlicher Weise liegt die andere untere stationäre Elektrode 30ly zumindest weitgehend deckungsgleich der entsprechenden oberen feststehenden Elektrode 17uy gegenüber, um ein anderes vertikales Paar auszubilden.
Weiter ist zentral auf der Oberseite des Substrats 2 ein scheibenähnliches Kontaktschichtmuster 32m ausgebildet. Dieses Kontaktbelagmuster 32m stellt einen direkten Kontakt mit dem Abstandshalter 9 her, um für eine elektrische Verbindung mit der beweglichen Elektrode 25m zu sorgen. Ein metallisiertes Durchgangsloch 33m ist zur elektrischen Verbindung mit dem Kontaktschichtmuster 32m ausgebildet. Zusätzlich ist das Substrat 2 in seinem Zentralbereich mit einem Gewindeloch 34 für den Gewindeeingriff mit der Verbindungsschraube 13 sowie mit freien Löchern 35x und 35y ausgebildet, um die jeweiligen Leitungsstifte 10ux und 10uy hindurchgehenzulassen. Weiter ist das Substrat 2 an seinen vier Ecken mit Öffnungen für den Eingriff mit den parallelen Stiften 16 ausgebildet. Diese Öffnungen entsprechen den an dem oberen stationären Substrat 1 ausgebildeten. Die parallelen Stifte 16 werden benutzt, um die parallele Anordnung der Substrate sicherzustellen.
Wie in Fig.18B gezeigt, ist das Substrat 2 auf seiner unteren Fläche um die zentrale Öffnung 34 herum mit einem ersten Schichtmuster 36lx, einem zweiten Belagmuster 36ly, einem dritten Schichtmuster 37m und einem vierten Attrappenbelagmuster 38 ausgebildet. Diese vier Schichtmuster haben eine ein-35 heitliche Filmdicke, und das Attrappenbelagmuster 38 ist insbesondere vorgesehen, um das einheitliche Kontaktgleichgewicht zu einer gegenüberliegenden Fläche eines darunter befindlichen Schichtbauteils sicherzustellen. Das erste Belagmuster 36lx ist durch das Durchgangsloch 31lx elektrisch mit der feststehenden Elektrode 30lx verbunden, die auf der Oberseite des Substrats 2 ausgebildet ist. Das zweite Schichtmuster 36ly ist mittels des Durchgangslochs 31ly leitend mit der anderen feststehenden Elektrode 30ly verbunden. Das dritte Belagmuster 37m ist durch das Durchgangsloch 33m leitend mit dem Kontaktbelag 32m verbunden, der auf der Oberseite des Substrats 2 ausgebildet ist.
Fig. 19a zeigt eine Aufsicht der Kontaktplatte 7, und Fig. 19B zeigt eine Untersicht derselben Platte. Wie in den Figuren gezeigt, ist die Kontaktplatte 7 auf ihrer Oberseite mit einem ersten bogenförmigen Schichtmuster 39lx ausgebildet, das mittels eines metallisierten Durchgangslochs 40lx leitend mit der Rückseite verbunden ist. Ein zweites bogenförmiges Belagmuster 39ly ist ebenfalls ausgebildet und mittels eines Durchgangslochs 40ly elektrisch mit der Rückseite verbunden. Die Platte 7 ist weiter mit einem dritten Schichtmuster 41m ausgebildet, das mittels eines metallisierten Durchgangsloches 42m leitend mit der Rückseite verbunden ist. Zusätzlich ist ein viertes Attrappenschichtmuster 45 auf der Kontaktplatte 7 ausgebildet. Diese vier bogenförmigen Schichtmuster entsprechen denen auf der Rückseite des unteren stationären Substrats 2 in direktem Kontakt. Das erste Belagmuster 39lx der Kontaktplatte 7 ist nämlich in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Belagmuster 36lx angeordnet, das auf der Unterseite des unteren feststehenden Substrats 2 ausgebildet ist. In ähnlicher Weise ist das zweite Belagmuster 39ly in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Schichtmuster 36 ly angeordnet, das dritte Muster 41m ist in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Schichtmuster 37m, und das Attrappenbelagmuster 45 ist in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Attrappenschichtmuster 38. Die Kontakt platte 7 weist in ihrem Zentralbereich eine Öffnung 43, um die Verbindungsschraube 13 hindurchzulassen, und diametral getrennte Ausnehmungen 44x und 44y auf, um die Leitungsstifte loux und 10uy freizuhalten.
Wie in Fig. 19B gezeigt, ist die Kontaktplatte 7 auf ihrer Rückseite mit vier bogenförmigen Schichtmustern ausgebildet. Unter ihnen ist ein Belagmuster 46lx, das durch das metallisierte Durchgangsloch 40lx elektrisch mit dem oberen Schichtmuster 39lx verbunden ist . Ein anderes Schichtmuster 46ly ist durch das Durchgangsloch 40ly elektrisch mit dem zweiten Belagmuster 39ly auf der Oberseite verbunden, und ein weiteres Belagmuster 47m ist durch das Durchgangsloch 42m elektrisch mit dem dritten Leitungsmuster 41m auf der Oberseite verbunden. Das verbleibende bogenförmige Schichtmuster ist eine Attrappe.
Fig. 20 zeigt eine Aufsicht der Leiterplatte 5. Wie in der Figur gezeigt, ist die Leiterplatte 5 mit vier quadratischen Belagmustern in einem verdeckten Bereich versehen, der innerhalb des Gehäuses 11 angeordnet ist. Das erste guadratische Schichtmuster 48lx ist in direktem Kontakt mit dem entsprechenden Leitungsmuster 46lx angeordnet, das auf der Rückseite der Kontaktplatte 7 ausgebildet ist. Das zweite guadratische Belagmuster 48ly steht in direktem Kontakt mit dem bogenförmigen Schichtmuster 46ly, das auf der Rückseite der Kontaktplatte 7 ausgebildet ist. Das dritte guadratische Schichtmuster 49m ist ähnlich in direktem Kontakt mit dem gegenüberliegenden bogenförmigen Belagmuster 47m angeordnet, das auf der Rückseite der Kontaktplatte 7 ausgebildet ist. Ein viertes Attrappenschichtmuster 50 ist zusätzlich ausgebildet. Weiter besitzt die Leiterplatte 5 metallisierte Durchgangslöcher 51ux und 51uy, die im Eingriff mit den Leitungsstiften 10ux und 10uy für eine elektrische Lötverbindung angeordnet sind. Eine Gewindeöffnung 52 ist zentral in der Leiterplatte 5 für einen Gewindeeingriff mit der Verbindungsschraube 13 ausgebildet. Weiter ist ein Paar von Durchgangslöchern 53 g und 53g' ausgebildet, durch die die Leiterplatte 5 an dem Gehäuse 11 festgemacht ist. Sieben Durchgangslochflächenmuster 54ux, 54uy, 54lx, 54ly, 54m, 54g und 54g' sind auf einem freiliegenden Teil der Leiterplatte 5, der außerhalb des Gehäuses 11 angeordnet ist, ausgebildet. Die Verbindungsklemme 6 oder der Verbinder ist mit diesen metallisierten Durchgangslochflächenmustern verlötet. Obwohl nicht in der Figur gezeigt, ist die Leiterplatte 5 auf ihrer Unterseite mit Leitungsmustern ausgebildet, durch die das Schichtmuster 48lx mit dem Durchgangslochflächenmuster 54lx verbunden ist, das Belagmuster 48ly mit dem Durchgangslochflächenmuster 541ly verbunden ist, das Muster mit Durchgangslöchern 51ux mit dem Durchgangslochflächenmuster 54ux verbunden ist, das Durchgangslochmuster 51uy mit dem Durchgangslochflächenmuster 54uy verbunden ist, das Schichtmuster 49m mit dem Durchgangslochflächenmuster 54m verbunden ist, das Muster mit Durchgangslöchern 53g mit dem Durchgangslochflächenmuster 54g verbunden ist, und das Durchgangslochmuster 53g' mit dem Durchgangslochflächenmuster 54g' verbunden ist.
Als letztes wird unter Bezug auf die Figuren 21 bis 23 eine detallierte Beschreibung für die Arbeitsweise des vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors gegeben. Fig. 21 ist eine schematische Darstellung, die die relative Anordnung der stationären Elektroden und der beweglichen Elektrode zeigt. Diese Elektroden werden in rechteckiger Gestalt dargestellt, um in der Figur das Verständnis zu erleichtern, obwohl die tatsächlichen Elektroden ringförmig oder bogenförmig sind. Eine obere feststehende Elektrode 17ux liegt der beweglichen Elektrode 25m gegenüber, um einen Kondensator UX auszubilden. Die andere obere feststehende Elektrode 17uy liegt ebenfalls der beweglichen Elektrode 25m gegenüber, um einen anderen Kondensator UY auszubilden. Diese zwei Kondensatoren UX und UY bilden eine obere Gruppe. Eine untere stationäre Elektrode 30lx liegt der beweglichen Elektrode 25m gegenüber, um einen Kondensator LX auszubilden. Die andere untere feststehende Elektrode 30ly liegt ebenfalls der beweglichen Elektrode 25m gegenüber, um einen anderen Kondensator LY auszubilden. Diese Kondensatoren LX und LY bilden eine untere Gruppe. Weiter sind die Kondensatoren UK und LX vertikal durch die gemeinsame bewegliche Elektrode 25m gekoppelt, um ein Paar auszubilden. In ähnlicher Weise bilden die Kondensatoren UY und LY ein anderes vertikales Paar. Wenn ein solcher Aufbau des Beschleunigungssensors eine Beschleunigungskraft in der durch den Pfeil bezeichneten linearen Richtung empfängt, unterliegt die bewegliche Elektrode 25m einer vertikalen oder Höhenverschiebung, die bewirkt, daß in jedem der Kondensatorpaare ein Kapazitätsunterschied erzeugt wird. Diese Kapazitätsdifferenz wird nachgewiesen, um eine lineare Beschleunigungskomponente entlang der gegebenen linearen Achse L zu messen. Andererseits verschiebt sich die bewegliche Elektrode 25m winkelmäßig, wenn der Beschleunigungssensor eine durch den Pfeil bezeichnete Winkelbeschleunigungskraft um die Rotationsachse R empfängt. Als Folge davon wird in derselben Gruppe von Kondensatoren ein Kapazitätsunterschied erzeugt. Diese Differenz wird nachgewiesen, um eine Winkelbeschleunigungskomponente zu messen. Wenn die bewegliche Elektrode 25m sich beispielsweise winkelmäßig im Uhrzeigersinn um die Rotationsachse R verschiebt, nähert sich die bewegliche Elektrode 25m einer oberen feststehenden Elektrode 17ux, um die Kapazität des Kondensators UX zu erhöhen. Andererseits entfernt sich die bewegliche Elektrode 25m von der anderen koplanaren oberen stationären Elektrode 17 uy, um die Kapazität des Kondensators UY zu senken. Auf diese Art und Weise wird das Kapazitätsgleichgewicht zwischen den Kondensatoren derselben Gruppe gestört, um den Nachweis der Winkelbeschleunigungskraft zu ermöglichen. Ein solches Kapazitätsungleichgewicht wird ähnlich in der unteren Gruppe von Kondensatoren LX und LY in komplementärer Art und Weise wie in der oberen Gruppe von Kondensatoren UK und UY erzeugt.
Fig. 22 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Verbindung der vier Kondensatoren UK, UY, LX und LY zeigt. Die vier Kondensatoren sind parallel mit einer gemeinsamen Elektrode in Gestalt der beweglichen Elektrode 25m verbunden, die mit dem Kontakt 54m verbunden ist. Die einzelnen feststehenden Elektroden 17ux, 17uy, 30lx und 30ly sind jeweils mit den entsprechenden Kontakten 54ux, 54uy, 54lx und 54ly verbunden. Die obere feststehende Elektrode 17ux ist mit dem entsprechenden Kontakt 54ux durch einen Leitungspfad verbunden, der der Reihe nach das Durchgangsloch lgux, das rechteckige Leitungsmuster 22ux, die Führungsöffnung 20ux, den Leitungsstift 10ux und das Durchgangslochmuster 51ux umfaßt. Die andere obere feststehende Elektrode 17uy ist mit dem entsprechenden Kontakt 54uy durch einen Leitungspfad verbunden, der der Reihe nach das Durchgangsloch 19uy, das rechteckförmige Leitungsmuster 22uy, die Führungsöffnung 20uy, den Leitungsstift 10oy und das Durchgangslochmuster 51uy umfaßt. Die untere feststehende Elektrode 30lx ist mit dem Kontakt 54lx durch einen Leitungspfad verbunden, der der Reihe nach das Durchgangsloch 31lx, das Leitungsmuster 36lx, das Leitungsmuster 39lx, das Durchgangsloch 40lx, das Leitungsmuster 46lx und das Leitungsmuster 48lx umfaßt. Die andere untere stationäre Elektrode 30ly ist mit dem Kontakt 54ly durch einen Leitungspfad verbunden, der der Reihe nach das Durchgangsloch 31ly, das Leitungsmuster 36ly, das Leitungsmuster 39ly, das Durchgangsloch 40ly, das Leitungsmuster 46ly und das Leitungsmuster 48ly umfaßt. Die bewegliche Elektrode 25m ist mit dem entsprechenden Kontakt 54m durch einen Leitungspfad verbunden, der der Reihe nach den Zentralabschnitt 26 der Membran 3, den Abstandshalter 9, das Kontaktschichtmuster 32m, das Durchgangsloch 33m, das Leitungsmuster 37m, das Leitungsmuster 41m, das Durchgangsloch 42m, das Leitungsmuster 47m und das Leitungsmuster 49m umfaßt.
Fig. 23 ist ein Blockdiagramm, das eine Nachweisschaltung, die extern mit der Beschleunigungssensoreinrichtung verbunden ist, zeigt. Der linke, von der strichpunktierten Linie umschlossene Block repräsentiert die Beschleunigungssensoreinrichtung, und der rechte, von der strichpunktierten Linie umschlossene Block stellt die Nachweisschaltung 101 dar. Die zwei Blöcke sind miteinander durch die in Fig. 14 gezeigte Klemme 6 verbunden. Die Nachweisschaltung 101 umfaßt einen Schwingkreis 102, vier Puffer 103 bis 106 und zwei Komparatoren 107 und 108. Wie in der Figur gezeigt, legt der Schwingkreis 102 ein Pulssignal an den Eingangskontakt 54m der Sensoreinrichtung an. Als Folge davon erzeugen die Ausgangskontakte 54lx, 54ly, 54ux und 54uy Pulssignale, deren Pulshöhe proportional zu den Kapazitäten der entsprechenden Kondensatoren ist. Der mit einem oberen Kondensator UX verbundene Ausgangskontakt 54ux erzeugt nämlich ein Ausgangssignal, das durch den Puffer 105 einem positiven eingangskontakt des Komparators 107 zugeführt wird. Der mit dem anderen oberen Kondensator UY verbundene Ausgangskontakt 54uy erzeugt ein Ausgangssignal, das ebenfalls durch den Puffer 106 demselben positiven Eingangskontakt des Komparators 107 zugeführt wird. Der mit einem unteren Kondensator LX verbundene Ausgangskontakt 54lx produziert ein Ausgangssignal, das durch den Puffer 103 einem negativen Eingangskontakt des Komparators 107 zugeführt wird. In ähnlicher Art und Weise erzeugt der mit dem anderen unteren Kondensator LY verbundene Ausgangskontakt 54ly ein Ausgangssignal, das durch den Puffer 104 dem negativen Eingangskontakt des Komparators 107 zugeführt wird. Der Komparator 107 gibt ein elektrisches Signal aus, das kennzeichnend für eine lineare Beschleunigungskomponente α gemäß der Amplitudendifferenz der an dem Paar positiver und negativer Eingangskontakte empfangenen Signale ist.
Der andere Komparator 108 erhält an seinem positiven Eingangskontakt von den Ausgangskontakten 54lx und 54uy der Sensoreinrichtung zugeführte Signale und erhält an seinem negativen Eingangskontakt von den übrigen Ausgangskontakten 54ly und 54ux zugeführte Signale. Demgemäß gibt der Komparator 108 ein elektrisches Signal aus, das kennzeichnend für eine Winkelbeschleunigungskomponente θ ist.
Die feststehenden Elektroden sind in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel durch eine einzige Rotationsachse in zwei Teile getrennt. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine solche Ausführung beschränkt. Zum Beispiel können die koplanaren stationären Elektroden durch ein Paar zueinander senkrechter Rotationsachsen in vier Teile aufgeteilt werden, um unterschiedliche Winkelbeschleunigungskomponenten um die jeweiligen Rotationsachsen nachzuweisen.
Wie oben beschrieben, können gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung gleichzeitig eine lineare Beschleunigungskomponente und eine Winkelbeschleunigungskomponente nachgewiesen werden.

Claims

1. Beschleunigungssensor, der folgendes umfaßt:

- ein erstes feststehendes Substrat (1) mit einer ersten zentralen Kontaktschicht (18u) und einer ersten, am Umfang befindlichen, feststehenden Elektrode (17u), die ringförmig ist und die erste zentrale Kontaktschicht (18u) umgibt;

- ein zweites feststehendes Substrat (2) mit einer zweiten zentralen Kontaktschicht (32m) und einer zweiten, am Umfang befindlichen, feststehenden Elektrode (30l), die ringförmig ist, die zweite zentrale Kontaktschicht (32m) umgibt und der ersten feststehenden Umfangselektrode (17u) mit einem vorgegebenen Zwischenraum gegenüberliegt;

- eine elektrisch leitfähige Membran (3) mit einem zentralen Abschnitt (26), der in dem Zwischenraum durch das Paar erster und zweiter zentraler Kontaktschichten (18u, 32m) festgehalten ist, und einem umgebenden, am Umfang befindlichen, ringförmigen Abschnitt (25m), der sich federnd von dem zentralen Abschnitt (26) wegerstreckt, um in dem Zwischenraum als Reaktion auf eine äußere Beschleunigungskraft einer Verschiebung relativ zu den ersten und zweiten feststehenden Umfangselektroden (17u, 30l) ausgesetzt zu sein, wobei die elektrisch leitfähige Membran (3) eine dünne, in Segmente geteilte Scheibe mit einem Blattfederteil (27) umfaßt, das als Unterstützung mit freiem Ende den Umfangsabschnitt (25m) mit dem zentralen Abschnitt (26) verbindet;

- ein Paar aus dünnen Metallplatten hergestellter Abstandshalter (8, 9) mit identischer Form, die jeweils zwischen der ersten und der zweiten zentralen Kontaktschicht (18u, 32m) und dem zentralen Abschnitt (26) der Membran (3) angeordnet sind, um diese auf beiden Seiten zu bedecken und so für eine elektrische Verbindung vom Umfangsabschnitt (25m) zu der ersten und zu der zweiten zentralen Kontakt schicht (18u, 32m) zu sorgen, und

- ein Verbindungsbauteil (13), um eine übereinanderliegende Konstruktion aus der Membran (3), dem Paar Abstandshaltern (8, 9) und dem Paar erster und zweiter feststehender Substrate (1, 2) zu arretieren, wobei das Verbindungsbauteil sich zentral durch die übereinanderliegende Konstruktion erstreckt.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, bei dem mindestens eine (17u) der feststehenden Elektroden (17u, 30l) aus einem elektrisch leitfähigen Muster zusammengesetzt ist, das einen Hauptbereich (171u) mit fester Größenabmessung und einen veränderlichen Bereich umfaßt, der aus mehreren abgeteilten Feldern (172u) besteht, die selektiv von dem Hauptbereich (171u) abgetrennt werden können.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, bei dem die Größenabmessung des elektrisch leitfähigen Musters größer ist als eine Größenabmessung der gegenüberliegenden feststehenden Elektrode (30l).

4. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1, der eine geschichtete Konstruktion enthält, die der Reihenfolge nach eine Leiterplatte (5) mit einem Leitungsmuster zum Anschluß nach außen, ein feststehendes Substrat (2), eine Membran (3) und ein anderes feststehendes Substrat (1) umfaßt, wobei eine auf dem einen feststehenden Substrat (2) gebildete feststehende Elektrode (30l) und die Kontaktschicht (32m) mit dem Leitungsmuster durch direkten Kontakt von Mustern mit Durchgangslöchern elektrisch verbunden sind, die auf jeweiligen Schichten der geschichteten Konstruktion ausgebildet sind.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, der eine Kontaktplatte (7) enthält, die auf ihren oberen und unteren Oberflächen mit einem Durchgangslochmuster versehen ist und zwischen der Leiterplatte (5) und dem einen feststehenden Substrat (2) angeordnet ist.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, der ein elektrisch leitfähiges Bauteil (10u) enthält, das sich durch die geschichtete Konstruktion hindurcherstreckt, um eine andere feststehende Elektrode (17u), die auf dem anderen feststehenden Substrat (1) ausgebildet ist, mit dem Leitungsmuster der Leiterplatte (5) zu verbinden.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, bei dem eine Teilfläche eines jeden Durchgangslochmusters benachbart einer gegenüberliegenden Oberfläche einer Schicht der geschichteten Konstruktion angeordnet ist.

8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, der parallele Stifte (16) enthält, die in Richtung einer Dickenabmessung der einander gegenüberliegenden feststehenden Substrate (1, 2) hindurchpassen, um eine parallele Anordnung der feststehenden Substrate (1, 2) zu sichern.

9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, der eine Gruppe feststehender Elektroden (17ux, 17uy), die auf einer abgewandten Fläche eines feststehenden Substrats (l) ausgebildet und voneinander entlang einer Rotationsachse (R) getrennt sind, die senkrecht zu einer gegebenen linearen Achse (L) angeordnet ist, welche senkrecht auf den feststehenden Substraten (1, 2) steht; sowie eine andere Gruppe feststehender Elektroden (30lx, 30ly) enthält, die auf einer abgewandten Fläche des anderen feststehenden Substrats (2) ausgebildet und zumindest weitgehend deckungsgleich mit der einen Gruppe feststehender Elektroden (17ux, 17uy) angeordnet sind, um jeweils ein Paar (17ux, 30lx/17uy, 30ly) gegenüberliegender feststehender Elektroden zu bilden; und wobei der Umfangsabschnitt (25m) der Membran (3) zwischen der einen Gruppe feststehender Elektroden (17ux, 17uy) und der anderen Gruppe feststehender Elektroden (30lx, 30ly) angeordnet ist, wobei der Umfangsabschnitt (25m) auf eine lineare Beschleunigungskomponente entlang der linearen Achse (L) und auf eine Winkelbeschleunigungskomponente um die Rotationsachse (R) anspricht und dabei einer Verschiebung ausgesetzt ist.

10. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, bei dem der Umfangsabschnitt (25m) ringförmig ist und jede Gruppe (17ux, 17uy/30lx, 30ly) der feststehenden Elektroden kreisförmig ist und radial voneinander getrennt ist.

11. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, der eine Nachweisschaltung (101) enthält, die den Nachweis einer Winkelbeschleunigungskomponente entsprechend einer Kapazitätsdifferenz bewirkt, die in zwischen jeder Gruppe (17ux, 17uy/30lx, 30ly) der feststehenden Elektroden und dem Umfangsabschnitt (25m) ausgebildeten, variablen Kondensatoren ausgelöst wird, und die den Nachweis einer linearen Beschleunigungskomponente entsprechend einer anderen Kapazitätsdifferenz bewirkt, die in zwischen dem Umfangsabschnitt (25m) und jedem Paar (17ux, 30lx/17uy, 30ly) der feststehenden Elektroden ausgebildeten, variablen Kondensatoren ausgelöst wird.