DE69108608T3 - Kapazitiver Beschleunigungsaufnehmer mit freier Membran. - Google Patents

Kapazitiver Beschleunigungsaufnehmer mit freier Membran. Download PDF

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Shigekaz Nakamura
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Description

  • Beschreibung Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die bekannte Konstruktion ermöglicht außerdem nur im beschränktem Maße einen genauen Nachweis der Beschleunigung.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der am Umfang befindliche Abschnitt ist als Antwort auf eine äußere Beschleunigungskraft einer Verschiebung ausgesetzt, die als Veränderung der Kapazität elektrisch nachgewiesen werden kann.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung, teilweise im Querschnitt, eines Gesamtaufbaus eines Beschleunigungssensors;
  • 2 ist eine Ansicht einer Membran, die ein Bestandteil des Beschleunigungssensors ist;
  • 3 ist eine Ansicht eines verwendeten feststehenden Substrats;
  • 4 ist eine Ansicht eines verwendeten Abstandshalters;
  • 5 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die elektrische Verbindung verschiedener Komponenten in dem Beschleunigungssensors zeigt;
  • 6A ist eine Untersicht eines in einem Ausführungsbeispiel verwendeten oberen stationären Substrats des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors;
  • 6B ist eine Draufsicht auf ein in dem Ausführungsbeispiel verwendetes unteres feststehendes Substrat;
  • 7 ist eine Explosionsdarstellung des herkömmlichen Beschleunigungssensors.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 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.
  • 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 Schicht-Struktur 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 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Daher wäre es bei einem Fehlen jeglicher Einstellvorrichtung ziemlich schwierig, ein anfängliches Gleichgewicht des Paares neutraler Kapazitäten in einem individuellen Beschleunigungssensor aufrechtzuerhalten.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (3)

  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 (301), die ringförmig ist, die 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) wegstreckt, 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 (3) auf beiden Seiten zu bedecken und so für eine elektrische Verbindung vom Umfangsabschnitt (25m) zu der ersten und zu der zweiten zentralen Kontaktschicht (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, wobei – 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.
  2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, bei dem die Größenabmessung des elektrisch leitfähigen Musters größer ist als eine Größenabmessung der gegenüberliegenden feststehenden Elektrode (301).
  3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, bei dem das Paar feststehender Substrate (1, 2) mit einer Anzahl von parallelen Stiften (16) miteinander gekoppelt ist.
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