DE69301044T2 - Kapazitiver Beschleunigungsmessaufnehmer sowie einen solchen verwendender Beschleunigungsmesser ohne Kraftkompensation - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft kapazitive Beschleunigungssensoren, die geeignet sind, mit einem geringen Volumen realisiert zu werden, und sie findet eine besonders wichtige Anwendung in allen Bereichen der Industrie, wo es notwendig ist, kleine Sensoren mit geringen Kosten zur Verfügung zu stellen.
• Sie betrifft vor allem Sensoren des Typs, die ein isolierendes Substrat aufweisen, welches eine erste Meßelektrode trägt und einen flexiblen Meßarm aus halbleitendem Material aufweist, dessen einer Endbereich fest mit dem Substrat ist und dessen anderer Endbereich eine zweite Elektrode bildet, welche gegenüberliegend zur ersten liegt, wobei die Flexibilität des Armes der zweiten Elektrode erlaubt, sich gegen das Substrat und vom Substrat wegzubewegen in Antwort auf eine transversal zu den Elektroden gerichtete Beschleunigung.
• Man kennt schon solche Sensoren, bei denen der erste Endbereich des flexiblen Armes am Substrat befestigt ist, z.B. durch Schweißen einer Endwulst. Der Unterschied in der thermischen Ausdehnung zwischen dem Substrat, das im allgemeinen aus einem metallischen Oxid, wie Aluminium, gebildet ist, und dem Arm, der z.B. aus Silicium besteht, ruft eine Veränderung des Ruhewinkels des Armes zum Substrat hervor und somit der Kapazität des durch die Elektroden gebildeten Kondensators. Diese Nullpunktveränderung ist schwierig genau zu kompensieren.
• Um dieses Phänomen zu verringern, wird ein Beschleunigungssensor des vorbeschriebenen Typs vorgeschlagen, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß der erste Endbereich am Substrat durch Zwischenanordnung eines Trägers, der einen Biegungsmodul zehnmal größer als der des Meßarmes aufweist und etwa parallel zum Meßarm ist, und eines Fußes befestigt ist, welcher am Substrat befestigt ist und zwischen den beiden Enden des Meßarmes liegt, wobei die Verbindungen des Trägers mit dem Meßarm und dem Fuß vergleichbar sind mit einem festen Einbau.
• Um den noch zurückbleibenden Fehler zu verringern, ist der Träger außerdem an einem Referenzarm befestigt, der parallel zum Meßarm angeordnet ist, mit derselben Länge aber mit einem Biegungsmodul, der wenigstens zehnmal größer als derjenige des Meßarmes ist, angeordnet gegenüberliegend zu einer Referenzelektrode derselben Oberfläche wie derjenigen des Meßkondensators.
• Um die Beschleunigungsmessung durch Vergleich zwischen dem Meßkondensator und dem durch die Referenzelektrode und den Referenzarm gebildeten Referenzkondensator zu bewirken, kann man praktisch die Nullableitung in Funktion der Temperatur eliminieren. Nur die Sensibilität des Sensors verändert sich in diesem Falle mit der Temperatur.
• Die Erfindung schlägt außerdem einen Beschleunigungsmesser vor, der einen vorbeschriebenen Sensor aufweist, der in einer Brückenschaltung angeordnet ist, deren eine Diagonale von einem periodisch wechselnden Signal beaufschlagt wird, und welche Mittel zur Verstärkung der wechselnden Differentialspannung entlang der anderen Diagonale der Brücke, Mittel zur synchronen Demodulation und Mittel zum Wiedereingeben von kontinuierlichen Spannungen zum Wiederausgleich entlang der Meßdiagonalen aufweist.
• Die so erhaltene Ausgangsspannung ist eine lineare Funktion der Beschleunigung für geringe Deformationen.
• Verschiedene relative Anordnungen können für den Meßarm und den Referenzarm verwendet werden. Insbesondere kann einer der beiden Arme die Form einer Gabel aufweisen, welche den anderen umschließt. Die beiden Arme können außerdem an ihren Enden transversale Zapfen aufweisen, wobei diese Zapfen gegenseitig ineinandergreifen. Vorteilhaft trägt zur Vergrößerung der Symmetrie des Sensors der Meßarm gegenüberliegend zum Substrat eine Masse, die durch eine lokale Verdickung oder durch einen Übertrag aus schwerem Material gebildet ist.
• Die Erfindung wird anhand der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung besser verstanden werden, welche anhand besonderer Ausführungsformen folgt, die als nicht beschränkende Beispiele angegeben werden. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, in denen
• Fig. 1 ein Prinzipschema eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist, welches im Schnitt gemäß einer Mittelebene rechtwinklig zum Substrat gezeigt ist;
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils des Sensors nach Fig. 1 ist, getrennt vom Substrat;
• Fig. 3 einen möglichen Aufbau eines Beschleunigungsmessers zeigt, welcher einen Sensor des in den Fig. 1 und 2 gezeigten Typs verwendet;
• Fig. 4 einen möglichen Aufbau eines Demodulators und einer Linearisationsschaltung des Beschleunigungsmessers nach Fig. 3 zeigt und
• Fig. 5 schematisch in einer Ansicht von unten einen anderen möglichen Aufbau der Arme eines Sensors nach der Erfindung zeigt.
• Die Figuren 1 und 2 zeigen aus Übersichtlichkeitsgründen nicht maßstabsgerecht einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors. Der Sensor weist ein isolierendes Substrat 10 auf, z.B. aus Aluminium des Typs, wie er als Stützschicht einer Schaltung mit dünner Schicht verwendet wird, und eine angefügte Anordnung 12 aus leitendem Material (wenigstens an der Oberfläche), z.B. aus verstärktem Silicium.
• Die Anordnung 12 ist einstückig. Sie kann durch Photogravierung verwirklicht werden, indem in der Elektronik gut bekannte Techniken eingesetzt werden. Die Anordnung 12 weist einen festen Fuß 14 auf, z.B. durch Anlagerungen von Chrom, Nickel oder Gold, bestimmt zur Bildung eines Eutektikums mit dem Silicium auf dem Substrat. Ausgehend vom Fuß erstreckt sich ein Träger 16, der vorgesehen ist, etwa parallel zum Substrat angeordnet zu sein, mit einer Länge und Dicke, die ausreicht, daß dieser praktisch keiner Deformation im Laufe der zu messenden Beschleunigung unterzogen wird. Ausgehend vom Träger erstreckt sich gegen den Fuß 14 und zu diesem ein Meßarm 18, der im in den Figuren 1 und 2 dargestellten Fall die Form eines U's aufweist, welches den Träger 16 einschließt. Der Arm 18 ist dünner als der Träger und seine Dicke e&sub0; ist derart vorgesehen, daß der Arm sich unter dem Einfluß von Beschleunigungen signifikant biegt, und zwar in Richtung seiner Dicke e&sub0;. In der Praxis kann man für im Automobilbereich auftretende Beschleunigungen im Arm 18 eine Länge in der Größenordnung eines cm und eine Dicke in der Größenordnung von 30 µm geben. Eine Überdicke ist vorteilhaft am Ende des Armes 18 im Bereich des U-Stegs vorgesehen, um eine Masse 20 zu bilden, die die Sensibilität erhöht. Häufig wird man zwischen dem Endbereich des Armes 18 und einer auf dem Substrat angeordneten Elektrode 24 einen Abstand annehmen, der ungefähr gleich 30 µm ist. Häufig liegt das Verhältnis zwischen der Differenz l&sub1; der Längen der Arme 18 und des Trägers 16 und der Länge l&sub0; des Armes zwischen 1/4 und 1/2.
• Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Sensor weist außerdem einen doppelten Referenzarm 22 auf, der parallel zum Arm 18 angeordnet ist und etwa dieselbe Länge aufweist. Man kann diesen Arm 18 so betrachten, daß er die Form einer Gabel aufweist, welche zugleich den Träger 16 und den Arm 18 einschließt. Die Dicke e&sub1; des Referenzarmes 18 ist geringfügig oberhalb derjenigen Dicke e&sub0; des Meßarmes, derart, daß alle seine Biegungsdeformationen im Verhältnis zu derjenigen des Referenzarmes vernachlässigbar sind. In der Praxis wird man dem Referenzarm 22 einen Biegungsmodul wenigstens 10 mal, im allgemeinen wenigstens 100 mal größer als denjenigen des Armes 18 geben (dieses Resultat kann mit einer um 10 mal größeren Dicke erreicht werden). Der Endbereich des Armes 18 bildet eine Kondensatorelektrode, die gegenüberliegend zu einer nicht dargestellten zweiten Elektrode liegt, die auf dem Substrat 10 durch eine Leiteranordnung gebildet ist. Es ist vorteilhaft, eine Oberfläche ungefähr gleich der Elektrode 24 und der Gesamtheit der Elektroden zu geben, welche mit dem Referenzarm 22 derart zusammenwirkt, daß die beiden so gebildeten Kondensatoren gleiche Ruhekapazitäten aufweisen.
• Der so gebildete Sensor kann in einem Schutzgehäuse 26 angeordnet werden, welches unter Vakuum gesetzt werden kann, um den Überspannungsfaktor zu erhöhen. Es ist gleichwohl im allgemeinen vorteilhaft, Gas in das Gehäuse zu lassen, um eine viskose Dämpfung zu realisieren und eine Sensorresonanz zu vermeiden. Die Elektroden können mit Stiften verbunden werden, die das Gehäuse durch Zwischenschaltung von Leiterstücken 28 verlassen. Man kann jedoch vorziehen, die Meßschaltung des Ungleichgewichtes der Kondensatoren und der Bildung eines für die Beschleunigung repräsentativen Signales im Inneren des Gehäuses 26 anzuordnen, beispielsweise in Form einer von dem Substrat 10 getragenen Hybridschaltung.
• Die elektronische Schaltung kann insbesondere den schematisch in Figur 3 dargestellten Aufbau aufweisen. Die beiden von der Anordnung 12 gebildeten Kondensatoren sind mit zwei Dioden mit variabler Kapazität 43, 45 verbunden, um eine kapazitive Brückenschaltung zu bilden, der eine Diagonale von einem periodischen Signal beaufschlagt wird, das von einem Generator 32 geliefert wird. Die wechselnde Komponente erscheint in der anderen Brückendiagonale und wird durch Zwischenschaltung von entsprechenden Kondensatoren 34 verstärkt und auf einen Differentialverstärker 36 angewendet. Ein synchroner Demodulator 38 liefert ein Ausgangssignal S, das repräsentativ für die Beschleunigung ist, während die Temperatur geringen Schwankungen unterworfen ist und während die Deformationen ausreichend gering sind, damit es im linearen Antwortbereich verbleibt.
• Eine auf die vorbeschriebenen Bestandteile beschränkte Schaltung würde ein Signal S proportional zum Ungleichgewicht der Brücke liefern und nicht linear mit der Beschleunigung variieren. Dieses Signal kann durch stromabwärts angeordnete Schaltungen linearisiert werden, indem eine Kalibrierungskurve gebraucht wird. Es ist jedoch geeigneter, das Antwortsignal durch Schaltungen zum Wiederausgleich der Brücke zu linearisieren, welche an die Enden der Meßdiagonalen geeignete kontinuierliche Spannungen anlegen, die ausgehend vom Ausgang des synchronen Modulators erzeugt werden. In der Figur 3 sind diese Schaltungen in der Form eines Verstärkers 40 oder 42 dargestellt, gefolgt von einem Widerstand 44 oder 46. Für eine gleiche Verstärkung an einem der Verstärker 40 wendet man auf den Verstärker 42 eine Verstärkung - λ an. Der Wert von λ kann bestimmt werden durch Analyse der Nichtlinearitäten in der Antwort. Diese können hervorgerufen werden dadurch, daß die Kapazität des Meßkondensators umgekehrt proportional zur Beschleunigung ist, oder durch die Charakteristiken Kapazität/Spannung der Dioden 43, 45. Bei geringen Deformationen kann das Ausgangssignal s wie eine begrenzte Entwicklung in Funktion der Beschleunigung geschrieben werden. Wenn man die Schaltung nach Figur 3 verwendet, schaltet sich die Verstärkung im Ausdruck der Koeffizienten dieser beschränkten Entwicklung in dem Maße ein, wo diese Verstärkung λ auf die Kapazitäten der Dioden 43, 45 einwirkt. Man wählt dann den Wert von λ derart, um die Koeffizienten der Ordnung 2 zu annullieren, was zu einer quasi linearen Antwort des Beschleunigungsmessers führt.
• In der Praxis können die Wiederausgleichsschaltungen und Linearisierungsschaltungen den in Fig. 4 dargestellten Aufbau aufweisen. In dieser Figur repräsentieren die Unterbrecher und die im gestrichelt dargestellten Gehäuse 38 enthaltenen Kondensatoren den synchronen Demodulator nach Figur 3. Die demodulierten Signale werden auf die Eingänge "plus" der beiden Differentialverstärker 48 und 50 angewendet, deren Eingänge "minus" mit einem Widerstand 52 verbunden sind. Die Schleifenschaltungswiderstände 54 und 56 der Differentialverstärker 48 und 50 sind an die zu erhaltenden Verstärkungen angepaßt. In der Praxis wird der Widerstand der Schleife 54 häufig ungefähr die Hälfte des Widerstandes der Schleife 56 sein. Die Ausgangssignale S und - λ S werden zurückgeschickt in die Enden der Meßdiagonalen, um die Kapazitäten der Dioden 43, 45 zu steuern.
• Die Erfindung kann zahlreichen Ausführungsvarianten unterzogen werden, insbesondere können die Meß- und Referenzarme einen relativ unterschiedlichen Aufbau zu demjenigen aufweisen, der beschrieben worden ist. In der Figur 5, wo der Figur 2 entsprechende Elemente dasselbe Bezugszeichen mit dem zusätzlichen Index a aufweisen, sind der Meßarm 18a und der Referenzarm 22a einerseits und andererseits des Trägers 16a angeordnet. Ihre Enden, die gegenüberliegend zu denjenigen sind, welche eine Einbauverbindung mit dem Träger haben, durch Zwischenschaltung eines transversalen Armes 58, weisen transversale Zapfen 60 auf, die gegenseitig ineinandergreifen. Das nicht dargestellte Substrat trägt die Elektroden, der eine 62 einen Kondensator mit dem Referenzarm bildet und der andere einen Kondensator mit dem Meßarm bildet. Wie im vorhergehenden Falle wirken die Elektroden mit den beiden Armen zusammen und haben dieselbe Oberfläche. Der Meßarm weist noch eine Flexibilität auf, die geringfügig größer ist als die des Referenzarmes. In der Praxis wird sein Biegungsmodul im allgemeinen ungefähr 100 mal geringer sein, was sich in einem Verhältnis zwischen den Dicken von ungefähr 10 überträgt.

Claims (8)

1. Kapazitiver Beschleunigungssensor mit einem isolierenden Substrat (10), welches eine erste Meßelektrode (24) trägt und einen flexiblen Meßarm (18) aus leitendem oder halbleitendem Material aufweist, dessen einer Endbereich fest mit dem Substrat (10) ist, und dessen anderer Endbereich eine zweite Elektrode bildet, welche gegenüberliegend zur ersten liegt, wobei die Flexibilität des Armes der zweiten Elektrode erlaubt, sich gegen das Substrat und vom Substrat weg zu bewegen in Antwort auf eine transversal zu den Elektroden gerichtete Beschleunigung, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Endbereich am Substrat durch Zwischenanordnung eines Trägers (16), der einen Biegungsmodul zehnmal größer als der des Meßarmes (18) aufweist und etwa parallel zum Meßarm ist, und eines Fußes (14) befestigt ist, welcher am Substrat (10) befestigt ist und zwischen den beiden Enden des Meßarmes liegt, wobei die Verbindungen des Trägers (16) mit dem Meßarm (18) und dem Fuß (14) vergleichbar sind mit einem festen Einbau.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßarm (18) die Form eines U's aufweist, dessen Fußbereich eine Zusatzmasse (20) trägt.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) außerdem an einem Referenzarm (22) befestigt ist, der parallel zum Meßarm (18) angeordnet ist, mit derselben Länge, aber einem Biegungsmodul, der wenigstens zehnmal größer als derjenige des Meßarmes ist, angeordnet gegenüberliegend zu einer Referenzelektrode derselben Oberfläche wie derjenigen des Meßkondensators.

4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Arme die Form einer Gabel aufweist und den Träger (16) umschließt.

5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzarm (22) die Form einer Gabel aufweist und den Träger und den Meßarm umschließt.

6. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßarm (18a) und der Referenzarm (22a) an ihren nicht eingebauten Endbereichen transversale Zapfen (60) aufweisen, die ineinandergreifen und mit den jeweiligen auf dem Substrat vorgesehenen Elektroden zusammenwirken.

7. Beschleunigungsmesser, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen Sensor nach irgendeinem der Ansprüche 3 bis 6 aufweist, daß die durch den Meßarm und den Referenzarm dieses Sensors gebildeten Kondensatoren in einer Brückenschaltung angeordnet sind, deren eine Diagonale von einem periodischen wechselnden Signal beaufschlagt wird, und daß dieser Mittel (36) zur Verstärkung der wechselnden Differentialspannung entlang der anderen Diagonale der Brücke, Mittel (38) zur synchronen Demodulation und Mittel zum Wiedereingeben von kontinuierlichen Spannungen zum Wiederausgleich entlang der Meßdiagonalen aufweist.

8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung außer den von dem Meßarm und dem Referenzarm gebildeten Kondensatoren zwei Dioden (43, 45) aufweist, welche jeweils Kapazitäten haben, die durch die kontinuierlichen Wiederausgleichsspannungen derart gesteuert werden, um das Signal des Ausgangs (der Ausgänge) der synchronen Demodulationsmittel etwa linear in Funktion der gemessenen Beschleunigung zu machen.