WO1993003385A1 - Beschleunigungssensor und verfahren zur herstellung - Google Patents

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WO1993003385A1
WO1993003385A1 PCT/DE1992/000573 DE9200573W WO9303385A1 WO 1993003385 A1 WO1993003385 A1 WO 1993003385A1 DE 9200573 W DE9200573 W DE 9200573W WO 9303385 A1 WO9303385 A1 WO 9303385A1
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seismic mass
springs
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PCT/DE1992/000573
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Erich Zabler
Johannes Widder
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
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    • H01H35/142—Damping means to avoid unwanted response
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    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H5/00—Snap-action arrangements, i.e. in which during a single opening operation or a single closing operation energy is first stored and then released to produce or assist the contact movement
    • H01H5/04—Energy stored by deformation of elastic members
    • H01H5/18—Energy stored by deformation of elastic members by flexing of blade springs

Definitions

  • the invention is based on an acceleration sensor according to the main claim and a method for producing acceleration sensors according to claim 13.
  • acceleration sensors are already known which involve a spring-mass system due to the deflection electrical contact is closed.
  • the deflection of the spring-mass system is linear to the acceleration.
  • the movement of the spring-mass system is damped to improve the switching behavior of the sensor.
  • Processes for the production of sensors are already known from DE 37 27 142. In this case, a plastic layer is irradiated with X-ray radiation through a mask, the irradiated areas are removed and the negative form of the sensors thus created is galvanically filled with a metal.
  • the senor according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the spring-mass system of the sensor is only deflected when a predetermined acceleration value is exceeded. This enables a special simple evaluation of the sensor signal. Another advantage is ⁇ that the contact closure is particularly safe and with little bouncing. Large currents can therefore also flow via the sensor according to the invention. Mechanical spring-mass systems are also particularly insensitive.
  • the spring-mass system and the contacts are particularly easy to produce on an insulating, plate-shaped substrate.
  • the spacing of the sensor structures from one another is exactly defined by the walls of the metal structures, which are predominantly oriented perpendicular to the substrate.
  • the resistance of the contact is reduced by designing the contact points from a further material.
  • the properties of springs, which are designed as bending beams, are particularly easy to calculate.
  • the desired non-linear switching behavior of the spring-mass system is realized with springs that have a slight curvature. The same switching behavior is shown by springs that are straight but not aligned parallel to one another.
  • the sensors with a seismic mass between two bearing blocks and a spring between the bearing blocks and the seismic mass can be implemented with the least effort.
  • electrostatic actuators By adding electrostatic actuators, the sensors can be switched arbitrarily by applying a voltage. In this way, the sensors are tested for their function.
  • a particularly simple embodiment of the electrostatic actuators consists of comb-shaped electrodes lying one inside the other. The damping and thus the dynamic behavior of the sensors is influenced by the formation of a small gap between the spring-mass system and the contact block. The damping is adjusted by additional ventilation slots.
  • the sensitivity of the sensors is influenced by the application of an electrical voltage between the contact block and the seismic mass.
  • the inventive method for producing sensors with the characterizing features of claim 13 has the advantage that the sensors are manufactured with low manufacturing tolerances.
  • a further advantage is that the disclosed method allows a plurality of sensors to be manufactured in parallel, thus reducing the manufacturing costs for the individual sensor.
  • the Her ⁇ position of the sensors by irradiation with X-ray radiation is advantageous because of the lower complexity in small series.
  • the molding of plastic structures is more cost-effective in mass production.
  • the use of additional X-ray radiation enables metal structures to be produced from different materials.
  • FIG. 1 shows a sensor according to the invention in the starting position
  • FIG. 2 shows a sensor in the deflection position
  • FIG. 3 shows a sensor with straight spiral springs
  • FIG. 4 shows the contact points
  • FIG. 5 shows a sensor with additional actuators
  • FIG. 6 shows a sensor with a special design of the contact block
  • Figure 7 shows a detail of the gap between the contact block and seismic mass
  • Figure 8 and 9 the manufacture of the sensor.
  • 1 denotes the spring-mass system, consisting of two springs 2 and a seismic mass 3.
  • the seismic mass 3 is suspended by the springs 2 on the bearing blocks 7.
  • the contact block 6 Opposite the seismic mass 3 is the contact block 6, which is referred to at the point of contact of the seismic mass and the contact block as the contact point 9, 19.
  • 4 is 4 with a stable starting position and in FIG. 2 with 5 a stable deflection position of the sensor.
  • the starting position 4 and the deflection position 5 are stable in the sense that a force is required to remove the sensor from the respective position.
  • the forces required do not have to be the same for both positions, in particular applications are conceivable in which the sensor returns from the deflection to the starting position at very low acceleration values.
  • the bearing blocks 7 and the contact block 6 are firmly connected to the substrate 8.
  • the springs 2 and the seismic mass 3 are suspended from the bearing blocks in such a way that there is a distance between the substrate 8 and the springs 2 and the seismic mass 3. These measures ensure that the movement of the spring 2 and the seismic mass 3 between the starting position 4 and the deflection position 5 is not impeded by friction with the substrate 8.
  • the contact block 6 and the bearing blocks 7 are designed here as predominantly rectangular structures. However, other configurations are also possible, provided that these structures are adequately adhered to the substrate 8.
  • the springs 2 are designed as bending beams with a length that is large, in their thickness. The mass of the springs 2 is small compared to the weight of the seismic mass 3.
  • the seismic mass 3 is designed here essentially as a rectangular block.
  • an essential feature of the seismic mass 3 here is that its weight is significantly greater than the weight of the springs 2 and that it is rigid, ie it is not deformable. This division into weightless, easily deformable spring 2 and rigid, heavy seismic mass simplifies the predictability of the sensor behavior. It is equally possible to use sensors in which the seismic mass and the spring are not clearly separated, which, for example, consist only of a spring or, to increase the sensitivity, of a spring with a thickening. Depending on the design, however, the effort involved in calculating these sensors is greater.
  • the spring-mass system 1 Due to the slight curvature of the bending springs being b il eten d springs 2 is achieved in that the spring-mass system 1 has a stable initial position 4 and stable deflection position. 5 By J hd ie in the deflection position 5 s-shaped bent springs 2, the seismi ⁇ specific mass 3 against the contact block 6 is pressed. This force reduces bouncing of the sensor.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the sensor according to the invention.
  • the seismic mass 3 is suspended with two springs 2 between two bearing blocks 7.
  • the seismic mass 3 is again opposed to a contact block 6.
  • the springs 2 are designed as straight bending beams, the springs located on one side of the seismic mass being parallel to each other.
  • the springs 2 on the different sides of the seismic mass 3 have a slight deviation from the parallel. This measure achieves a non-linear behavior as with the curved springs.
  • 9 is the contact point on the seismic mass 3 and 19 is the contact point on the contact block 6.
  • the contact points are made of a different material, for example gold. This measure reduces the electrical resistance between seismic mass 3 and contact block 6.
  • other materials or material layers can be used to influence the resistance and the service life of the contact points 9, 19.
  • the geometric shape of the contact points 9, 19 is not limited to the circle segments shown here.
  • angular structures or projections on one side and corresponding indentations on the other side can be used.
  • FIG 5 a sensor of the invention shown with an electrostatically ⁇ tables actuator.
  • the seismic mass 3 is suspended on each side of bearing blocks 7 with a curved spiral spring 2.
  • the seismic mass 3 is arranged in the movement axis between two contact blocks 6.
  • the spring-mass system 1 of the sensor is provided with 4 electrostatic actuators 10.
  • the actuators consist of comb-shaped interlocking electrodes 13, which are partially attached to the spring-mass system 1 and partially to the additional actuator bearing blocks 14. If there is a potential difference between the spring-mass system 1 and the bearing blocks 14, a force acts which pulls the electrodes 13 into one another so as to compensate for the potential difference.
  • the actuators 10 By arranging the actuators 10 on both sides of the spring-mass system 1, the spring-mass system 1 can be switched back and forth arbitrarily between the two contact blocks 6. The actuators 10 thus enable the function of the sensor to be tested.
  • the actuators 10 by applying a defined voltage to the actuators 10 on one side of the spring-mass system 1, it is possible to shift the triggering behavior of the sensors towards lower values of the acceleration. If the actuators 10 are activated on the other side, the triggering threshold of the sensors can be shifted towards higher acceleration values.
  • the contact block 15 is designed such that only a small gap 16 remains between the contact block 15 and the spring-mass system.
  • the gap 16 is designed such that it is only insignificantly larger than the distance between the contact points 9 and 19. If the spring-mass system 1 of the starting position 4 jumps into the deflection position 5, it becomes in the gap 16 contained air pressed out by reducing the gap width. With small gaps 16, the air cannot escape quickly enough and the movement of the spring-mass system 1 is damped. By a suitable one Damping the movement of the spring-mass system 1 prevents the contact points 9, 19 from bouncing. By applying a voltage between the spring-mass system 1 and contact block 15 of the tripping point is ⁇ this sensor shifted to lower accelerations out.
  • 16 denotes the gap between seismic mass 3 and contact block 15.
  • the damping behavior of the spring-mass system can be influenced by introducing ventilation slots which protrude into the seismic mass 3 and / or the contact block 15.
  • the ventilation slots 17 By using the ventilation slots 17, the damping of the spring-mass system 1 is influenced without the possibility of changing the trigger point of the sensors by applying a voltage between the seismic mass 3 and the contact block 15 being affected.
  • 21 denotes an insulating substrate, 22 a structured, conductive layer applied thereon, 23 a structured, dissolvable layer and 24 a plastic layer with recesses 25.
  • the different layers can overlap.
  • the insulating substrate 21 consists, for example, of a silicon wafer with an insulating layer made of silicon oxide or silicon nitride. Ceramic materials such as aluminum oxide ceramic can also be used. Metals are used for the conductive layer 22. These are applied to substrate 21 by vapor deposition or sputtering. These layers are structured using the known masking and etching techniques of thin-film technology.
  • the function of the layers 22 is on the one hand to ensure good adhesion of the sensors to the substrate 21, and on the other hand they are the electrodes for the galvanic deposition of the sensor structures.
  • the layer 22 can also be constructed from two metal layers. To ensure good adhesion to the substrate, k ann b eispielmik chromium are used, a good Ga l vanikelek ⁇ trode is achieved for example by gold.
  • the resolvable layer 23 has the property that it can be dissolved selectively against the material of the substrate 21, the conductive layer 22 and the galvanically deposited metal 26 of the sensor structures. The material of the layer 23 consequently results from the choice of other materials used for producing the sensor ⁇ the.
  • titanium can be used for the dissolvable layer 23, for example. Titanium is selectively etched by hydrofluoric acid against all other materials mentioned.
  • the dissolvable layer 23 can consist of plastics such as polyimide or ceramic materials such as boron-doped glass.
  • the plastic layer 24 is provided with recesses 25 which form a shape for the galvanic deposition of the sensors.
  • One way to produce the plastic layer 24 with the recesses 25 is to use low-divergence X-rays, such as those produced by a synchrotron.
  • the plastic layer 24 By irradiating a plastic layer 24, initially covering the entire surface, through a mask that partially blocks the X-ray radiation, the plastic layer 24 can be irradiated in such a way that only the area of the later sensor structures is exposed. The irradiated plastic is selectively released against the non-irradiated plastic.
  • Polyethyl methacrylate for example, is suitable as the X-ray sensitive plastic.
  • Another way of producing the plastic layer 24 with the recesses 25 is to use molding techniques such as injection molding or reaction molding. During the molding process, a mold is filled with the liquid or plastic moldable plastic. After the plastic has hardened in the mold, the plastic and mold are separated. The result is a structured plastic layer 24 with recesses 25.
  • FIG. 9 shows a cross section through a sensor produced in this way.
  • the sensor structure consisting of bearing block 7, springs 2 and seismic mass 3 was produced on the substrate 21 on the conductive layer 22 by electrodeposition of a metal.
  • the plastic layer 24 and the dissolvable layer 23 are removed.
  • the plastic layer 24 with the recesses 25 thus represents a lost form for the manufacture of the sensors.
  • the movable layer 23 separates the movable sensor structures, such as springs 2 and seismic mass 3, from the substrate 21, so that they do not come into contact with friction the substrate are prevented from moving.
  • the side walls of the sensor structures produced in this way are perpendicular to the substrate. This creates a very precise definition of the sensor geometry.

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Abstract

Es wird ein Beschleunigungssensor vorgeschlagen, der insbesondere zur Erkennung eines Aufpralls eines Kraftfahrzeuges dient. Der Sensor weist ein Feder-Masse-System (1) mit einer stabilen Ausgangslage (4) und einer stabilen Auslenkungslage (5) auf. Bei Beschleunigung in Meßrichtung wird das Feder-Masse-System zunächst nur unwesentlich aus der Ausgangslage (4) ausgelenkt, wird jedoch ein vorgegebener Beschleunigungswert überschritten, so springt das Feder-Masse-System (1) in die Auslenkungslage (5), in der ein elektrischer Kontakt geschlossen ist.

Description

Beschleunigunqssensor und Verfahren zur Herstellung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungsensor nach der Gat¬ tung des Hauptanspruches und einem Verfahren zur Herstellung von Beschleunigungssensoren nach Anspruch 13. Aus der DE 29 23 029 sind bereits Beschleunigungssensoren bekannt, bei denen durch die Aus¬ lenkung eines Feder-Masse-Systems ein elektrischer Kontakt geschlos¬ sen wird. Dabei ist die Auslenkung des Feder-Masse-Systems linear zur Beschleunigung. Die Bewegung des Feder-Masse-Systems wird gedämpft, um das Schaltverhalten des Sensors zu verbessern. Verfah¬ ren zur Herstellung von Sensoren sind bereits aus der DE 37 27 142 bekannt. Dabei wird eine KunststoffSchicht durch eine Maske mit Röntgenstrahlung bestrahlt, die bestrahlten Bereiche werden heraus¬ gelöst und die so entstandene Negativform der Sensoren wird galva¬ nisch mit einem Metall aufgefüllt.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Feder-Masse-Sy- stem des Sensors erst beim Überschreiten eines vorgegebenen Be¬ schleunigungswertes ausgelenkt wird. Dies ermöglicht eine besonders einfache Auswertung des Sensorsignals. Als weiterer Vorteil ist an¬ zusehen, daß der Kontaktschluß besonders sicher und mit nur geringem Prellen erfolgt. Über den erfindungsgemäßen Sensor können daher auch große Ströme fließen. Weiterhin sind mechanische Feder-Masse-Systeme besonders unempfindlich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch beschriebenen Sensors möglich. Besonders einfach wird das Feder- Masse-System und die Kontakte auf einem isolierenden, plattenför- migen Substrat erzeugt. Durch die vorwiegend senkrecht zum Substrat orientierten Wände der Metallstrukturen sind die Abstände der Sen¬ sorstrukturen untereinander exakt definiert. Durch die Ausführung der Kontaktpunkte aus einem weiteren Material wird der Widerstand des Kontaktes verringert. Die Eigenschaften von Federn, die als Biegebalken ausgebildet sind, sind besonders einfach berechenbar. Das gewünschte nichtlineare Schaltverhalten des Feder-Masse-Systems wird mit Federn realisiert, die eine leichte Krümmung aufweisen. Das gleiche Schaltverhalten zeigen Federn, die gerade sind, aber nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Mit dem geringsten Aufwand lassen sich, die Sensoren mit einer seismischen Masse zwischen zwei Lagerblöcken und jeweils einer Feder zwischen den Lagerblöcken und der seismischen Masse realisieren. Durch die Hinzufügung von elek¬ trostatischen Aktoren können die Sensoren durch Anlegen einer Span¬ nung willkürlich geschaltet werden. Die Sensoren werden auf diese Weise auf ihre Funktion untersucht. Eine besonders einfache Ausfüh¬ rung der elektrostatischen Aktoren besteht aus kammförmigen, inein¬ ander liegenden Elektroden. Durch die Ausbildung eines geringen Spaltes zwischen dem Feder-Masse-System und dem Kontaktblock wird die Dämpfung und so das dynamische Verhalten der Sensoren beein¬ flußt. Durch zusätzliche Entlüftungsschlitze wird die Dämpfung ein¬ gestellt. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Kontaktblock und seismische Masse wird die Empfindlichkeit der Sen¬ soren beeinflußt. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Sensoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13 hat den Vorteil, daß die Sensoren mit geringen Fertigungstoleranzen hergestellt werden. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß das offenbarte Verfahren eine parallele Herstellung einer Vielzahl von Sensoren erlaubt und so die Herstellungskosten für den einzelnen Sensor gesenkt werden. Die Her¬ stellung der Sensoren durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlung ist wegen des geringeren Aufwandes bei kleinen Serien vorteilhaft. Bei der Massenherstellung ist die Abformung von KunststoffStrukturen kostengünstiger. Durch die Anwendung zusätzlicher Röntgenbestrah- lungen können Metallstrukturen aus verschiedenen Materialien herge¬ stellt werden.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen erfindungsgemäßen Sensor in der Ausgangslage, Figur 2 einen Sensor in der Auslenkungslage, Figur 3 einen Sensor mit geraden Biegefedern, Figur 4 die Kontaktpunkte, Figur 5 einen Sensor mit zusätzlichen Aktoren, Figur 6 einen Sensor mit besonderer Ausführung des Kontaktblockes, Figur 7 ein Detail des Spaltes zwischen Kontaktblock und seismischer Masse, Figur 8 und 9 die Her¬ stellung des Sensors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 und Figur 2 ist mit 1 das Feder-Masse-System, bestehend aus zwei Federn 2 und einer seismischen Masse 3 bezeichnet. Die seismische Masse 3 ist durch die Federn 2 an den Lagerblöcken 7 auf¬ gehängt. Der seismischen Masse 3 gegenüber liegt in geringem Abstand der Kontaktblock 6, der am Berührungspunkt von seismischer Masse und Kontaktblock als Kontaktpunkt 9,19 bezeichnet wird. In Figur 1 ist mit 4 eine stabile Ausgangslage und in Figur 2 mit 5 eine stabile Auslenkungslage des Sensors bezeichnet. Die Ausgangslage 4 und die Auslenkungslage 5 sind stabil in dem Sinn, daß eine Kraft benötigt wird um den Sensor aus der jeweiligen Lage zu entfernen. Die dabei benötigten Kräfte müssen nicht für beide Lagen gleich sein, insbe¬ sondere sind Anwendungsfälle vorstellbar, bei denen der Sensor bei sehr geringen Beschleunigungswerten von der Auslenkungs- wieder in die Ausgangslage zurückkehrt. Die Lagerblöcke 7 und der Kontaktblock 6 sind fest mit dem Substrat 8 verbunden. Die Federn 2 und die seis¬ mische Masse 3 sind so an den Lagerblöcken aufgehängt, daß ein Abstand zwischen dem Substrat 8 und den Federn 2 und der seismischen Masse 3 besteht. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Bewe¬ gung der Feder 2 und der seismischen Masse 3 zwischen der Ausgangs¬ lage 4 und der Auslenkungsläge 5 nicht durch Reibung mit dem Sub¬ strat 8 behindert wird. Der Kontaktblock 6 und die Lagerblöcke 7 sind hier als vorwiegend rechteckige Strukturen ausgeführt. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich, sofern eine ausreichende Haftung dieser Strukturen auf dem Substrat 8 gewährleistet ist. Die Federn 2 sind als Biegebalken mit einer Länge die groß ist, in ihrer Dicke ausgeführt. Die Masse der Federn 2 ist gering im Vergleich zum Gewicht der seismischen Masse 3.
Die seismische Masse 3 ist hier im wesentlichen als rechteckiger Block ausgeführt. Es sind auch andere Ausführungen der seismischen Masse vorstellbar, wesentliches Merkmal der seismischen Masse 3 ist hier, daß ihr Gewicht wesentlich größer als das Gewicht der Federn 2 ist und daß sie starr, d. h. nicht verformbar ist. Durch diese Auf¬ teilung in gewichtslose, leicht verformbare Feder 2 und starre, schwere seismische Masse wird die Berechenbarkeit des Sensorverhal¬ tens vereinfacht. Ebensogut sind Sensoren einsetzbar, bei denen seismische Masse und Feder nicht eindeutig getrennt sind, die bei¬ spielsweise nur aus einer Feder oder zur Erhöhung der Empfindlich¬ keit aus einer Feder mit einer Verdickung bestehen. Je nach Ausge¬ staltung ist jedoch der Aufwand zur Berechnung dieser Sensoren größer. Durch die leichte Krümmung der als Biegefedern ausgebildeten Federn 2 wird erreicht, daß das Feder-Masse-System 1 eine stabile Ausgangslage 4 und eine stabile Auslenkungslage 5 hat. Durch die in der Auslenkungslage 5 s-förmig verbogenen Federn 2 wird die seismi¬ sche Masse 3 gegen den Kontaktblock 6 gedrückt. Durch diese Kraft wird ein Prellen des Sensors verringert.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Die seismische Masse 3 ist mit jeweils 2 Federn 2 zwischen zwei Lagerblöcken 7 aufgehängt. Der seismischen Masse 3 steht wieder ein Kontaktblock 6 gegenüber. Durch die Verwendung von 4 Federn 2 wird eine bessere Führung der seismischen Masse 3 bei Wechsel von der Ausgangslage 4 in die Auslenkungslage 5 erreicht. Es wird sichergestellt, daß die seismische Masse 3 praktisch nur eine gerad¬ linige Bewegung in Richtung des Kontaktblockes 6 ausführen kann. Die Federn 2 sind als gerade Biegebalken ausgeführt, wobei die jeweils auf einer Seite der seismischen Masse befindlichen Federn zueinander parallel sind. Die Federn 2 auf den unterschiedlichen Seiten der seismischen Masse 3 weisen eine leichte Abweichung von der Paral¬ lelen auf. Durch diese Maßnahme wird ein nichtlineares Verhalten wie bei den gekrümmten Federn erreicht.
In Figur 4 ist mit 9 der Kontaktpunkt auf der seismischen Masse 3 und mit 19 der Kontaktpunkt auf dem Kontaktblock 6 bezeichnet. In diesem Beispiel sind die Kontaktpunkte in einem anderen Material beispielsweise Gold ausgeführt. Durch diese Maßnahme wird der elek¬ trische Widerstand zwischen seismischer Masse 3 und Kontaktblock 6 verringert. In äquivalenter Weise können andere Materialien oder Materialschichten verwendet werden, um den Widerstand und die Lebensdauer der Kontaktpunkte 9, 19 zu beeinflussen. Die geome¬ trische Form der Kontaktpunkte 9, 19 ist nicht auf die hier gezeig¬ ten Kreissegmente beschränkt. In äquivalenter Weise können eckige Strukturen oder auch Vorsprünge auf der einen und entsprechende Ein¬ buchtungen auf der anderen Seite verwendet werden. In Figur 5 wird ein. erfindungsgemäßer Sensor mit einem elektrosta¬ tischen Aktor gezeigt. Die seismische Masse 3 ist mit jeweils einer gekrümmten Biegefeder 2 auf jeder Seite an Lagerblöcken 7 aufge¬ hängt. In der Bewegungsachse ist die seismische Masse 3 zwischen zwei Kontaktblöcken 6 angeordnet. Das Feder-Masse-System 1 des Sensors ist mit 4 elektrostatischen Aktoren 10 versehen. Die Aktoren bestehen aus kammförmigen ineinander verschränkten Elektroden 13, die teilweise am Feder-Masse-System 1 und teilweise am zusätzlichen Aktor-Lagerblöcken 14 angebracht sind. Wenn eine Potentialdifferenz zwischen dem Feder-Masse-System 1 und den Lagerblöcken 14 besteht, so wirkt eine Kraft, die die Elektroden 13 ineianderzieht, um so die Potentialdifferenz auszugleichen. Durch die Anordnung der Aktoren 10 auf beiden Seiten des Feder-Masse-Systems 1 kann das Feder-Masse- System 1 willkürlich zwischen den beiden Kontaktblöcken 6 hin und her geschaltet werden. Durch die Aktoren 10 ist somit ein Test der Funktion des Sensors möglich. Ebenso ist es möglich durch Anlegen einer definierten Spannung an die Aktoren 10 auf einer Seite des Feder-Masse-Systems 1 das Auslöseverhalten der Sensoren zu niedri¬ geren Werten der Beschleunigung hin zu verschieben. Werden die Akto¬ ren 10 auf der anderen Seite aktiviert, so kann die Auslöseschwelle der Sensoren zu höheren Beschleunigungswerten hin verschoben werden.
In Figur 6 erfolgt die Ausgestaltung der Lagerblöcke 7 der Federn 2 und der seismischen Masse 3 in einer der zuvor beschriebenen Weisen. Der Kontaktblock 15 wird so ausgestaltet, daß nur ein geringer Spalt 16 zwischen dem Kontaktblock 15 und dem Feder-Masse-System ver¬ bleibt. Der Spalt 16 wird dabei so ausgelegt, daß er nur unwesent¬ lich größer ist als der Abstand zwischen den Kontaktpunkten 9 und 19. Wenn das Feder-Masse-System 1 der Ausgangslage 4 in die Auslen¬ kungslage 5 springt, so wird die im Spalt 16 enthaltene Luft durch die Verringerung der Spaltbreite herausgepreßt. Bei kleinen Spalten 16 kann die Luft nicht schnell genug entweichen und so wird die Bewegung des Feder-Masse-Systems 1 gedämpft. Durch eine geeignete Dämpfung der Bewegung des Feder-Masse-Systems 1 wird ein Prellen der Kontaktpunkte 9, 19 verhindert. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Feder-Masse-System 1 und Kontaktblock 15 wird der Auslöse¬ punkt dieses Sensors zu niedrigeren Beschleunigungen hin verschoben.
In Figur 7 ist mit 16 der Spalt zwischen seismischer Masse 3 und Kontaktblock 15 bezeichnet. Durch Einbringen von Entlüftungs¬ schlitzen, die sowohl in die seismische Masse 3 und/oder den Kon¬ taktblock 15 ragen, kann das Dämpfungsverhalten des Feder-Masse- Systems beeinflußt werden. Durch die Verwendung der Entlüftungs¬ schlitze 17 wird die Dämpfung des Feder-Masse-Systems 1 beeinflußt, ohne daß dadurch die Möglichkeit, den Auslösepunkt der Sensoren durch Anlegen einer Spannung zwischen seismischer Masse 3 und Kon¬ taktblock 15 zu verändern, beeinflußt wird.
In Figur 8 wird mit 21 ein isolierendes Substrat, mit 22 eine darauf aufgebrachte strukturierte, leitfähige Schicht, mit 23 eine struk¬ turierte auflösbare Schicht und mit 24 eine Kunststoffschicht mit Ausnehmungen 25 bezeichnet. Die verschiedenen Schichten können sich überlappen. Das isolierende Substrat 21 besteht beispielsweise aus einem Siliziumwafer mit einer isolierenden Schicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Keramische Materialien wie beispielsweise Alu- miniumoxid-Keramik sind ebenfalls verwendbar. Für die leitfähige Schicht 22 werden Metalle verwendet. Diese werden durch Aufdampfen oder Aufsputtern auf das Substrat 21 aufgebracht. Die Strukturierung dieser Schichten erfolgt mit den bekannten Maskierungs- und Ätz¬ techniken der Dünnfilmtechnik. Die Funktion der Schichten 22 besteht zum einen darin, eine gute Haftung der Sensoren zum Substrat 21 sicherzustellen, zum anderen sind sie die Elektroden für die galva¬ nische Abscheidung der Sensorstrukturen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, kann die Schicht 22 auch aus zwei Metallschichten aufgebaut werden. Um eine gute Haftung zum Substrat sicherzustellen, kann beispielsweise Chrom verwendet werden, eine gute Galvanikelek¬ trode wird beispielsweise durch Gold erreicht. Die auflösbare Schicht 23 hat die Eigenschaft, daß sie selektiv gegen das Material des Substrates 21, die leitfähige Schicht 22 und das galvanisch abgeschiedene Metall 26 der Sensorstrukturen auflösbar ist. Das Material der Schicht 23 ergibt sich folglich aus der Wahl der anderen Materialien, die zur Herstellung des Sensors verwendet wer¬ den. Mit Aluminiumoxid-Keramik für das Substrat 21, einer Chrom- Gold-Schicht für die leitfähige Schicht 22 und Nickel für die galva¬ nische Abscheidung, ist beispielsweise Titan für die auflösbare Schicht 23 verwendbar. Titan wird von Flußsäure selektiv gegen alle anderen genannten Materialien geätzt. Alternativ kann die auflösbare Schicht 23 aus Kunststoffen wie beispielsweise Polyimid oder kera¬ mischen Materialien wie bordotiertem Glas bestehen. Die Kunststoff¬ schicht 24 ist mit Ausnehmungen 25 versehen, die eine Form für die galvanische Abscheidung der Sensoren bilden. Ein Weg die Kunststoff¬ schicht 24 mit den Ausnehmungen 25 herzustellen, besteht in der Ver¬ wendung von Röntgenstrahlung geringer Divergenz wie sie beispiels¬ weise von einem Synchrotron hergestellt wird. Durch die Bestrahlung einer zunächst ganzflächigen KunststoffSchicht 24 durch eine Maske, die die Röntgenstrahlung teilweise ausblendet, kann die Kunststoff¬ schicht 24 so bestrahlt werden, daß nur der Bereich der späteren Sensorstrukturen belichtet ist. Der bestrahlte Kunststoff wird selektiv gegen den nicht bestrahlten Kunststoff herausgelöst. Als röntgenempfindlicher Kunststoff eignet sich beispielsweise Poly e- thylmethacrylat. Ein anderer Weg, die Kunststoffschicht 24 mit den Ausnehmungen 25 zu erzeugen, besteht in der Verwendung von Abform¬ techniken wie beispielsweise Spritzguß oder Reaktionsguß. Bei der Äbformung wird eine Form mit dem flüssigen oder plastisch formbaren Kunststoff gefüllt. Nach dem Erhärten des Kunststoffes in der Form werden Kunststoff und Form getrennt. Das Ergebnis ist eine struktu¬ rierte KunststoffSchicht 24 mit Ausnehmungen 25. Dieses Verfahren wird entweder auf dem Substrat 21 angewendet oder aber die getrennt hergestellte Kunststoffstruktur 24 mit den Ausnehmungen 25 wird separat gefertigt und dann mit dem Substrat 21 verbunden. In Figur 9 ist ein Querschnitt durch einen so hergestellten Sensor gezeigt. Auf dem Substrat 21 wurde auf der leitfähigen Schicht 22 die Sensor¬ struktur bestehend aus Lagerblock 7, Federn 2 und seismischer Masse 3 durch galvanische Abscheidung eines Metalls erzeugt.
Die Kunststoffschicht 24 und die auflösbare Schicht 23 sind ent¬ fernt. Die Kunststoffschicht 24, mit den Ausnehmungen 25 stellt somit eine verlorene Form für die Herstellung der Sensoren dar. Durch die auflösbare Schicht 23 werden die beweglichen Sensorstruk¬ turen wie Federn 2 und seismische Masse 3 vom Substrat 21 getrennt, so daß sie nicht durch Reibung mit dem Substrat in ihrer Bewegung behindert werden. Die Seitenwände der so erzeugten Sensorstrukturen sind senkrecht zum Substrat. Es wird so eine sehr exakte Definition der Sensorgeometrie erzeugt.

Claims

Ansprüche
1. Beschleunigungssensor, insbesondere zur Messung eines Aufpralls eines Kraftfahrzeuges, der ein Feder-Masse-System (1), mit min¬ destens einer Feder (2) und mindestens einer seismischen Masse (3), aufweist, das nur auf eine vorgegebene Beschleunigungsrichtung anspricht, und beim Überschreiten eines vorgegebenen Beschleuni¬ gungswertes einen Kontakt schließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Feder-Masse-System (1) eine stabile Ausgangslage (4) und eine sta¬ bile Auslenkungslage (5) aufweist, und daß das Feder-Masse-System (1) bei Beschleunigungen die kleiner sind als der vorgegebene Wert in der vorgegebenen Richtung nur geringfügig von der Ausgangslage (4) abweicht und beim Überschreiten des vorgegebenen Beschleuni¬ gungswertes in die Auslenkungsläge (5) springt, und nur beim Über¬ schreiten eines anderen, vorgegebenen Beschleunigungswertes entge¬ gengesetzter Richtung, von der Auslenkungslage (5) in die Ausgangs¬ lage (4) zurückkehrt.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kontaktblock (6,15) und mindestens ein Lagerblock (7) auf einem plattenför igen, isolierenden Substrat (8) befestigt sind, daß die mindestens eine Feder (2) mit der daran befestigten mindestens einen seismischen Masse (3) mit dem Lagerblock (7) verbunden ist, daß die seismische Masse (3) und die Feder (2) einen Abstand zum Substrat (8) aufweisen, daß die seismische Masse (3) und der Kontaktblock (6,15) einen geringen Abstand zueinander aufweisen, daß der Kontaktblock (6), der Lagerblock (7), die Feder (2) und die seismische Masse (3) aus Metall bestehen und die Wände vorwiegend senkrecht zum Substrat (8) sind.
3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die seismische Masse (3) und/oder der Kontaktblock (6) einen Kontaktpunkt (9) aufweisen und der Kontaktpunkt (9) der seis¬ mischen Masse (3) und/oder des Kontaktblocks (6) aus einem weiteren Material besteht.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß mindestens zwei Federn (2) verwendet werden, daß die Federn (2) als Biegebalken ausgebildet sind, deren Dicke klein ist gegen die Länge.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn
(2) in der Ausgangslage (4) des Feder-Masse-Systems (1) eine oder mehrere Krümmungen aufweisen.
6. Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausgangslage (4) jede einzelne Feder auf einer Gerade liegt, und daß die Orientierung zwischen mindestens zwei Federn (2) von der Paral¬ lelen abweicht.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 4 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lagerblöcke (7) verwendet werden, daß die seismische Masse
(3) zwischen den Lagerblöcken (7) gelegen ist und mit jeweils einer Feder (2) mit den Lagerblöcken (7) verbunden ist.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Feder-Masse-System (1) mit mindestens einem elek¬ trostatischen Aktor (10) versehen ist, durch den das Feder-Masse-Sy¬ stem von der einen Lage (4,5) in die andere Lage (5,4) bewegbar ist.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der minde¬ stens eine elektrostatische Aktor (10) aus kammförmigen, ineinan- derliegenden Elektroden (13) besteht , an die elektrische Potentiale anlegbar sind.
10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Kontaktblock (15) so ausgebildet ist, daß er auf seiner der seismischen Masse (3) und der Feder (2) zugewandten Seite, bis auf die Umgebung der Kontaktpunkte (9), einen geringen Spalt (16) zur seismischen Masse (3) und/oder den Federn (2) auf¬ weist, und daß der Spalt (16) zwischen Kontaktblock (15) und seis¬ mischer Masse (3) und/oder Federn (2) nur wenig größer ist als der Abstand zwischen den Kontaktpunkten (9) von Kontaktblock (15) und seismischer Masse (3).
11. Sensor nach Anspruch (10), dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (16) mit Entlüftungsschlitzen (17) versehen ist, die in die seis¬ mische Masse (3), oder den Kontaktblock (15) oder beide hineinragen.
12. Sensor nach, den Ansprüchen (10) und (11), mit Mitteln eine elek¬ trische Spannung zwischen Kontaktblock (15) und seismischer Masse (3) und Federn (2) anzulegen.
13. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. a) daß als Substrat eine isolierende Platte (21), mit strukturierten leitfähigen Schichten (22) und mit strukturierten auflösbaren Schichten (23), verwendet wird, b) daß auf dem Substrat eine KunststoffSchicht (24) mit Ausnehmungen (25) erzeugt wird, und daß die Ausnehmungen (25) teilweise auf der auflösbaren Schicht (23) liegt, c) daß die Ausnehmungen (25) galvanisch mit einem Metall aufgefüllt werden, d) und daß der Kunststoff (24) und die auflösbare Schicht entfernt werden.
14. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der vorher¬ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
a) daß als Substrat eine isolierende Platte (21), mit strukturierten leitfähigen Schichten (22) und mit strukturierten auflösbaren Schichten (23), verwendet wird, b) daß auf dem Substrat eine Kunststoffschicht (24) mit Ausnehmungen (25) erzeugt wird, und daß die Ausnehmungen (25) teilweise auf der auflösbaren Schicht (23) liegt, c) daß die Ausnehmungen (25) galvanisch mit einem Metall aufgefüllt werden, d) daß die KunststoffSchicht (24) teilweise mit Röntgenstrahlung bestrahlt wird und der bestrahlte Bereich selektiv gegen den nicht bestrahlten Bereich herausgelöst wird und der so entstan¬ dene Hohlraum durch ein anderes Metall aufgefüllt wird, e) und daß die KunststoffSchicht (24) und die auflösbare Schicht (23) entfernt werden.
15. Verfahren nach den Ansprüchen nach 13 oder 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Herstellung der KunststoffSchicht (24) mit Ausneh¬ mungen (25) durch die Bestrahlung einer KunststoffSchicht mit Rönt¬ genstrahlen und selektives Auflösen der bestrahlten Bereiche ge¬ schieht.
16. Verfahren nach den Ansprüchen nach 13 oder 14, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Herstellung der Kunststoffschicht (24) mit Aus¬ nehmungen (25) durch die Abformung von Kunststoffstrukturen erfolgt.
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