NO346493B1

NO346493B1 - Kapasitiv akselerasjonssensor

Info

Publication number: NO346493B1
Application number: NO20054579A
Authority: NO
Inventors: Heikki Kuisma; Juha Lahdenperä; Risto Mutikainen
Original assignee: Murata Manufacturing Co
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2022-09-05
Also published as: FI20030338A0; US20040226374A1; KR101062631B1; NO20054579L; DE112004000353T5; US6938485B2; KR20050107478A; JP2011022149A; CH697268B1; EP1599736B1; FI119527B; JP2006519387A; JP5748792B2; EP1599736A1; JP2013152230A; WO2004079373A1

Description

Teknisk område

Den foreliggende oppfinnelsen angår målingsanordninger som anvendes for måling av akselerasjon, og spesifikt til kapasitive akselerasjonssensorer. Oppfinnelsen tilveiebringer en forbedret, mer varig sensorkonstruksjon, som bedre motstår slitasjen forårsaket av overbelastningssituasjoner.

Kjent teknikk

Måling basert på en kapasitiv akselerasjonssensor er vist å ha et enkelt prinsipp og å tilveiebringe en pålitelig fremgangsmåte for måling av akselerasjon. Den kapasitive målingen er basert på en endring i et gap mellom to overflater hos et par elektroder i sensoren. Kapasitansen mellom overflatene, eller kapasitansen for lagring av elektrisk ladning, avhenger av arealet til overflatene og avstanden mellom overflatene. Kapasitiv måling kan allerede anvendes ved ganske lave målingsområder for akselerasjon.

Kjent teknikk vil bli beskrevet nedenfor med eksemplarisk henvisning til den vedlagte figur 1, som viser et sideriss av en konstruksjon av et par elektroder hos en akselerasjonssensor i samsvar med kjent teknikk.

Fig. 1 viser et sideriss av konstruksjonen av et par elektroder av en akselerasjonssensor i samsvar med kjent teknikk. Parene av elektrodene hos akselerasjonssensoren i samsvar med kjent teknikk omfatter en bevegelig elektrode 1, som beveger seg i samsvar med akselerasjonen, og en stasjonær elektrode 2. Den bevegelige elektroden 1, som er den delen 1 av akselerasjonssensoren som er responsiv for akselerasjon, støttes av fjærer, og avhengig av akselerasjonen beveger den seg i forhold til den stasjonære elektroden 2. Den bevegelige elektroden 1 og den stasjonære elektroden 2 danner et par elektroder som konverterer akselerasjonen til en kvantitet som kan måles elektrisk, dvs. kapasitans. Generelt omfatter akselerasjonssensoren i samsvar med kjent teknikk også et andre par elektroder på den motsatte siden av den bevegelige elektroden 1, som ikke er vist i figuren for klarhets skyld.

Ved måling av akselerasjon avhenger kapasitansen mellom den bevegelige elektroden 1 og den stasjonære elektroden 2 hos paret elektroder hos sensoren, dvs. kapasitansen for lagring av elektrisk ladning, av arealet hos overflaten og avstanden mellom overflatene. Ettersom akselerasjon gjennom bevegelse påføres objektet som skal måles, følger den stasjonære elektroden 2 bevegelsen til objektet som skal måles. Den bevegelige elektroden 1 forsøker å forbli i sin posisjon på grunn av treghetskrefter, og beveger seg på denne måten i forhold til den stasjonære elektroden 2. Avstanden mellom den bevegelige elektroden 1 og den stasjonære elektroden 2, og følgelig også den målbare kapasitansen, endres.

Paret elektroder hos en akselerasjonssensor av kjent type omfatter også et isolasjonsfremspring 3. Paret elektroder kan også ha flere isolasjonsfremspring 3. Et isolasjonsfremspring begrenser bevegelsen av den bevegelige elektroden 1, som er støttet av fjærene, og hindrer kontakt mellom elektrodene 1, 2 i tilfelle overbelastning, og hindrer på denne måten også kortslutning av målekretsen.

Bruken av et isolasjonsfremspring er f.eks. beskrevet i publikasjonen US 5 367429. Bruken av beleggsmaterialer for belegging av hele mikromaskinerte konstruksjoner eller substratet i sin helhet er f.eks. beskrevet i publikasjon US 6 404028 og i publikasjonen US 5 644 455.

Generelt anvendes dielektriske fremspring som isolatorfremspring 3. I følsomme akselerasjonssensorer er de gjenopprettende fjærkreftene hos konstruksjonen svake, slik at overflatekrefter kan forårsake temporært eller permanent testing av den bevegelige elektroden 1 til den stasjonære elektroden 2, noe som dermed hindrer funksjonen til sensoren.

Spesielt har det vært gjort forsøk på å hindre festing i overflaten hos mikromekaniske akselerasjonssensorer ved hjelp av ulike ruhets- eller beleggingsbehandlinger. F.eks. har det vært pålagt overflatekreftereduserende filmer av typen lipide filmer eller fluorpolymerer på konstruksjonene.

I sensorkonstruksjonene relatert til den foreliggende oppfinnelsen kan det videre inntreffe mekanisk slitasje på isolatorfremspringene under produksjonsprosessen. Oksidfremspring med slitasje kan bli deformert og de kan også mekanisk låses til en like slitt silikonoverflate.

Sammendrag av oppfinnelsen

Formålet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe en forbedret sensorkonstruksjon, som hindrer festing mellom elektrodene og som bedre motstår slitasje forårsaket av overbelastningssituasjoner.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er det tilveiebragt en kapasitiv akselerasjonssensor ifølge det selvstendige patentkravet 1, omfattende minst ett par elektroder. Paret elektroder omfatter en bevegelig elektrode som er responderer på akselerasjon, og minst én stasjonær elektrode. En isolatorlagstruktur er anbragt på den stasjonære elektroden. Isolatorlagstrukturen har en tolags komposittstruktur med et grunnlag og et topplag. Grunnlaget består av oksid, topplaget er et diamantliknende DLC-belegg. Grunnlaget er vesentligere tykkere enn topplaget.

Utførelser av den kapasitive akselerasjonssensoren er angitt i de uselvstendige patentkravene.

Fortrinnsvis strekker topplagets diamantlignende DLC-belegg seg også på sidene av isolatorlagstrukturen. Fortrinnsvis strekker også topplagets diamantlignende DLC-belegg seg også forbi sidene hos isolatorlagstrukturen til området hos den stasjonære elektroden.

Paret av elektroder av akselerasjonssensorer kan omfatte flere isolatorlagstrukturer. Isolatorlagstrukturene er fortrinnsvis anbrakt på begge sider av den bevegelige elektroden. Fortrinnsvis er isolatorfremspringene anbrakt på en stasjonær elektrode. Alternativt er isolatorfremspringene anbrakt på den bevegelige elektroden.

Fortrinnsvis dyrkes det diamantlignende DLC-belegget for isolatorlagstrukturen ved ionestråleavsetting. Alternativt dyrkes det diamantlignende DLC-belegget for isolatorlagstrukturen ved plasmaforsterket kjemisk-dampavsetting (eng: plasma enhanced chemical vapour deposition). Alternativt dyrkes det diamantlignende DLC-belegget for isolatorlagstrukturen ved lysbueutladningsavsetting.

Fortrinnsvis er kvaliteten til den diamantlignende DLC-beleggfilmen for isolatorlagstrukturen forbedret ved å øke andelen sp<3>/sp<2>-bindinger. Fortrinnsvis er kvaliteten til den diamantlignende DLC-beleggfilmen for isolatorlagstrukturen en forbedret ved reduksjon av hydrogeninnholdet hos den diamantlignende DLC-beleggfilmen.

Kort beskrivelse av tegningene

Den foreliggende oppfinnelsen og de foretrukne utførelsesformene av denne vil bli beskrevet nedenfor i detalj med henvisning til de vedlagte tegningene, hvor:

Fig. 1 viser et sideriss av konstruksjonen av et par elektroder hos en akselerasjonssensor i samsvar med kjent teknikk,

Fig. 2 viser et sideriss av konstruksjonen av et par elektroder hos en akselerasjonssensor i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 1 ble beskrevet ovenfor. Den foreliggende oppfinnelsen og foretrukne fremgangsmåter for implementering av denne er beskrevet nedenfor med henvisning til fig. 2.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

I akselerasjonssensoren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er en isolatorlagstruktur/et isolatorfremspring hos et par elektroder belagt med et diamantliknende DLC-belegg (DLC: Diamond Like Carbon). Ved løsningen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan klistringskreftene minkes og slitasjen hos elektrodene reduseres.

Fig. 2 viser et sideriss av konstruksjonen av et par av elektroder hos en akselerasjonssensor i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Paret av elektroder hos akselerasjonssensoren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen omfatter en bevegelig elektrode 4 og en stasjonær elektrode 5. Generelt omfatter også akselerasjonssensoren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen et andre par elektroder på den motsatte siden av den stasjonære elektroden 4, som for klarhets skyld ikke er vist i figuren.

Parene av elektroder hos akselerasjonssensoren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen omfatter videre en isolatorlagstruktur her vist som et isolatorfremspring 6. Isolatorfremspringet 6 er belagt med et diamantlignende DLC-belegg (DLC: Diamond Like Carbon).

Isolatorfremspringet 6 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er en tolags komposittkonstruksjon, med et grunnlag som er tykkere og laget av et enkelt avsettbart materiale, f.eks. oksid, og grunnlaget er i sin tur belagt med et tynnere topplag av det diamantliknende DLC-belegget. Det diamantlignende DLC-belegget hos topplaget kan også strekke seg på sidene hos isolatorfremspringet 6, eller også utover kantene av isolatorfremspringet 6 til området av den stasjonære elektroden 5. Paret av elektroder hos akselerasjonssensoren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan omfatte et flertall isolatorfremspring 6. Isolatorfremspringene 6 kan posisjoneres på begge sider av den bevegelige elektroden 4. Typisk anbringes isolatorfremspringet 6 på den stasjonære elektroden 5, men alternativt kan isolatorfremspringet anbringes på den bevegelige elektroden 4.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan det diamantliknende DLC-belegget for isolatorfremspringet 6 hos paret elektroder hos akselerasjonssensoren avsettes ved ulike fremgangsmåter. DLC-belegget kan dyrkes ved ionestråleavsetting, eller alternativt ved plasmaforsterket kjemisk dampavsetting (PECVD), og videre alternativt ved lysbueutladningsavsetting.

Kvaliteten til den diamantliknende DLC-beleggsfilmen på isolatorfremspringet 6 i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan forbedres ved å øke forholdet mellom bindingene sp<3>/sp<2>, eller alternativt ved å redusere hydrogeninnholdet hos den diamantliknende DLC-beleggsfilmen.

Det diamantliknende DLC-belegget hos isolatorfremspringet 6 hos paret av elektroder hos akselerasjonssensoren i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen motstår slitasje og den tilveiebringer lave overflatekrefter som ville kunne forårsake sammenklistring av elektrodene.

Overflatekreftene hos den tolags komposittkonstruksjonen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen er lavere enn i tilfellet med rene oksidfremspring. På denne måten kan sammenklistring av den bevegelige elektroden 4 og den stasjonære elektroden 5, f.eks. under overbelastningssituasjoner, unngås.

Slitasje hos isolatorfremspringene kan unngås ved løsningen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen beroende på den lave friksjonskoeffisienten og den forbedrede motstand mot slitasje hos den tolags komposittposisjonen.

Ved løsningen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen hindres mekanisk slitasje av isolatorfremspringet under fremstillingsprosessen. Ved å hindre mekanisk låsing mellom elektrodene forbedrer det friksjonsreduserende, slitasjemotstående belegget i samsvar med oppfinnelsen oppførselen til paret av elektroder hos akselerasjonssensoren.

Claims

PATENTKRAV

1. Kapasitiv akselerasjonssensor omfattende minst ett par elektroder, paret av elektroder omfatter:

-en bevegelig elektrode (4) som responderer på akselerasjon,

-minst én stasjonær elektrode (5),

k a r a k t e r i s e r t v e d at

-minst en isolatorlagstruktur er anbrakt på den stasjonære elektroden ( 5), hvori

- isolatorlagstrukturen har en tolags komposittstruktur med et grunnlag og et topplag,

-grunnlaget består av oksid, topplaget er et diamantliknende DLC-belegg, og grunnlaget er vesentligere tykkere enn topplaget, det diamantliknende DLC-belegget hos topplaget strekker seg også på sidene av isolatorlagstrukturen (6).

2. Kapasitiv akselerasjonssensor i samsvar med krav 1,

k a r a k t e r i s e r t v e d at det diamantliknende DLC-belegget hos topplaget også strekker seg over kantene av isolatorlagstrukturen (6) på området til den stasjonære elektroden (5).

3. Kapasitiv akselerasjonssensor i samsvar med et av kravene 1 eller 2, k a r a k t e r i s e r t v e d at paret elektroder hos akselerasjonssensoren omfatter flere isolatorlagstrukturer (6).

4. Kapasitiv akselerasjonssensor i samsvar med et av kravene 1-3 ovenfor, k a r a k t e r i s e r t v e d at topplaget dyrkes ved ionestråleavsetning.

5. Kapasitiv akselerasjonssensor i samsvar med et av kravene 1-3,

k a r a k t e r i s e r t v e d at topplaget dyrkes ved plasmaforsterket kjemiskdampavsetting.

6. Kapasitiv akselerasjonssensor i samsvar med et av kravene 1-3,

k a r a k t e r i s e r t v e d at topplaget dyrkes ved lysbueutladningsavsetting.