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Beschreibung
Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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7 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 und den zentralen
Abschnitt
164 angeordneten Schlitzmuster ausgebildet. Durch
einen solchen Aubau 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.
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Allerdings ist, wie in 7 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 × 10–5 und
die Zwischenplatte aus Beryllium-Kupfer-Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von α =
1,80 × 10–5 besteht,
ein relativer Abmessungsfehler von etwa 0,1 μm/°C bei einer Gesamtlänge von
10 mm verursacht werden. Falls die Temperaturschwankung bis 40°C beträgt, kann
ein Abmessungsfehler von 4 μm 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.
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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, und 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.
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In der
US-A-4,435737 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
Memubranteil von dem zentralen Ständerteil weg nach außen. Drittens
erstreckt sich ein Massenringteil mit parallelen, ebenen Flächen, die
den feststehenden Elektroden der zwei feststehenden Substrate gegenüberliegen, 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.
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Die bekannte Konstruktion ermöglicht außerdem nur
im beschränktem
Maße einen
genauen Nachweis der Beschleunigung.
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In der
US-A-4,399 705
ist ein Beschleunigungssensor zum Entdecken von Vibrationen eines Verbrennungsmotors
offenbart. Der Sensor umfaßt ein
piezoelektrisches Element, das in einem Stapel zwischen Isolier-Unterlegscheiben
angebracht ist. Eine Schraube verläuft durch den Stapel und dient dazu,
den Sensor gegen die Oberfläche
des Motors zu ziehen.
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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.
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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.
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Es ist auch die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung einen verbesserten kapazitiven Beschleunigungssensor zu
schaffen, der entworfen ist, um baulich die Gleichgewichtseinstellung
der stabilen, neutralen Kapazitäten
zu erreichen.
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Um die genannte Aufgabe der Erfindung
zu lösen,
umfaßt
der verbesserte Beschleunigungssensor die Teile und die Struktur
gemäß dem Anspruch 1.
In erster Linie umfaßt
der Sensor 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.
Eine 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.
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Der am Umfang befindliche Abschnitt
ist als Antwort auf eine äußere Beschleunigungskraft
einer Verschiebung ausgesetzt, die als Veränderung der Kapazität elektrisch
nachgewiesen werden kann.
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Die Zwischenmembran ist 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.
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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 übereinanderlie geraden
Aufbau der ebenen Platten zu arretieren.
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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.
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Wenigstens eine der stationären Elektroden setzt
sich aus einem elektrisch leitfähigen
Muster zusammen, das einen Hauptbereich mit einer festen Flächengröße umfaßt und einen
veränderlichen
Bereich, bestehend aus einer Vielzahl von aufgeteilten Bereichen,
die selektiv vom Hauptbereich abgetrennt werden können.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung, teilweise im Querschnitt, eines Gesamtaufbaus
eines Beschleunigungssensors;
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2 ist
eine Ansicht einer Membran, die ein Bestandteil des Beschleunigungssensors
ist;
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3 ist
eine Ansicht eines verwendeten feststehenden Substrats;
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4 ist
eine Ansicht eines verwendeten Abstandshalters;
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5 ist
ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die elektrische Verbindung
verschiedener Komponenten in dem Beschleunigungssensors zeigt;
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6A ist
eine Untersicht eines in einem Ausführungsbeispiel verwendeten
oberen stationären
Substrats des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors;
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6B ist
eine Draufsicht auf ein in dem Ausführungsbeispiel verwendetes
unteres feststehendes Substrat;
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7 ist
eine Explosionsdarstellung des herkömmlichen Beschleunigungssensors.
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Detaillierte
Beschreibung
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1 ist
eine schematische Darstellung, teilweise im Querschnitt, die einen
Gesamtaufbau eines kapazitiven Beschleunigungssensors 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.
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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.
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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 Schicht-Struktur vollständig.
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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.
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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.
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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.
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Als nächstes wird in Verbindung mit
den 2 bis 4 die detaillierte Beschreibung
wichtiger Bestandteile des Beschleunigungssensors gegeben. 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 weger streckt,
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 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.
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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 2 und der 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 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 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.
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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 zumischen
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
die Abmessung der Lücke des
Zwischenraums zu bestimmen.
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Als letztes zeigt 5 die elektrische Verbindung des 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 541 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 zumischen das Paar Eingangskontakte 54u und 541 geschaltet
werden kann.
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Bezugnehmend auf 5 wird die Beschreibung der Arbeitsweise
des 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
C1 = ε·S1 d1
bestimmt, wobei S1 die Elektrodenfläche bezeichnet, d1 den Elektrodenabstand
bezeichnet und ε den
Dielektrizitätskoeffizienten
von Luft bezeichnet. Andererseits bilden die gemeinsame bewegliche
Elektrode 25m und die andere stationäre Elektrode 301 einen
anderen Kondensator. Seine Kapazität ist durch C2 = ε·S2 d2
bestimmt, wobei S2 die Elektrodenfläche bezeichnet und d2 den Elektrodenabstand
bezeich net. 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.
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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 180° 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.
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Wie oben beschrieben besitzt die
Membran 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.
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Wie zuvor beschrieben, bilden bei
dem in 5 gezeigten Beschleunigungssensor
die obere feststehende Elektrode 17u und die bewegliche
Elektrode 25m einen veränderlichen
Kondensator. Seine neutrale Kapazität wird durch C1 = ε·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 ε 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 = ε·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.
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Allgemein werden die Elektrodenabstände d1 und
d2 auf einige 10 μm
eingestellt. Allerdings kann eine Abweichung in der Größenordnung
einiger μm
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 mehr Prozent ab.
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Daher wäre es bei einem Fehlen jeglicher Einstellvorrichtung
ziemlich schwierig, ein anfängliches
Gleichgewicht des Paares neutraler Kapazitäten in einem individuellen
Beschleunigungssensor aufrechtzuerhalten.
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Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors
umfaßt
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. Das elektrisch leitfähige Muster
umfaßt
einen Hauptbereich mit einer festen Flächengröße und einen veränderlichen
Bereich, der selektiv von dem Hauptbereich abgetrennt werden kann.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung
umfaßt
mindestens eine der feststehenden Elektroden das elektrisch leitfähige Muster
mit einer einstellbaren Flächengröße. 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 Flächengröße 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. Das
elektrisch leitfähige
Muster umfaßt
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.
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Im folgenden wird das Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail
beschrieben. Da das Ausführungsbeispiel
grundsätzlich
dem in 1 gezeigten Sensor
baulich ähnlich
ist, wird die Beschreibung speziell im Hinblick auf kennzeichnende
Merkmale des Ausführungsbeispiels
gegeben. Als erstes zeigt 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.
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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.
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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 301 ausgebildet.
Diese Elektrode 301 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 301 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 301 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.
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Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel besitzt
einen elektrischen Aufbau, der dem in 5 ähnlich ist.
Zur Erleichterung des Verständnisses
Bezug nehmend auf die 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.
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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 180° 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.
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Wie oben beschrieben, umfaßt gemäß dem 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