WO1999053286A1 - Kapazitive druck- oder kraftsensorstruktur und verfahren zur herstellung derselben - Google Patents

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WO1999053286A1
WO1999053286A1 PCT/EP1999/002431 EP9902431W WO9953286A1 WO 1999053286 A1 WO1999053286 A1 WO 1999053286A1 EP 9902431 W EP9902431 W EP 9902431W WO 9953286 A1 WO9953286 A1 WO 9953286A1
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pressure
membrane
force sensor
counter
sensor structure
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PCT/EP1999/002431
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Heinz PLÖCHINGER
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Ploechinger Heinz
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance

Definitions

  • the present invention relates generally to sensors and, in particular, to capacitive pressure or force sensors for measuring physical quantities such as force, absolute pressure, differential pressure, deflection, distance and the like.
  • the characteristic curve ie. H. the pressure sensor output signal as a function of the quantity to be measured, essentially determined by its mechanical properties. This means that the deformation of a deflectable membrane over a basic structure or the displacement of a bending beam as a result of an external force directly determines the course of the characteristic curve when a flat electrode on the movable element is opposite a flat electrode on the fixed element.
  • WO 90/12299 describes a capacitive pressure sensor in which the deflectable element, i. H. the membrane has a single flat electrode, while three electrodes are already provided on the basic structure, one of which delivers a constant output signal regardless of the pressure applied, while the other two electrodes together with the electrode attached to the membrane each provide two capacitive output signals, which are different with the same applied force.
  • a pressure measuring arrangement is also known from German patent 41 07 345, in which both a membrane and the structure opposite it already have several capacitances which lead to different capacitive output signals with the same deflection of the membrane.
  • a disadvantage of this arrangement is the relatively complicated shape of the individual electrodes.
  • the shape of the electrode is also not directly determined by geometric data such as B. to describe angles and associated radii.
  • the electrode surfaces of both the membrane and the support structure have to be redesigned for different applications.
  • both all electrodes of the support structure and all electrodes of the membrane have to be contacted individually in order to ensure that the individual measuring capacitances are at different potentials in order to be able to use a feedback evaluation circuit which can is based on the switched capacitor principle.
  • the object of the present invention is to create a concept which creates a simple and flexibly usable pressure or force sensor structure, the characteristic curve of which can be brought into agreement with a desired characteristic curve.
  • a pressure or force sensor structure comprises a membrane and a counter structure, electrodes for fixing capacitors being provided on the membrane and the counter structure. At least two of the capacitors are connected in series or in parallel to determine a desired pressure / capacity dependency or force / capacity dependency.
  • the present invention is based on the knowledge that, in order to achieve an independence of the characteristic curve, several individual capacitances by means of corresponding electrode configurations in a pressure or force sensor structure. - 3 -
  • a combined capacitance curve can be obtained as a function of the deflection of the membrane, which corresponds to a desired curve.
  • the desired capacitance curve is obtained on the one hand by geometrically shaping the capacitor electrodes in the capacitive sensor and on the other hand by interconnecting at least two capacitors, which are shaped accordingly.
  • capacitors are preferably fixed by many correspondingly shaped electrodes, which are then suitably connected by means of an evaluation circuit with feedback properties, as a result of which very complicated and, in particular, also non-linear desired pressure / capacity dependencies or force / capacity dependencies can be simulated.
  • the membrane or the counter structure and preferably the counter structure is provided with a multiplicity of electrode segments in the form of a segment of a circle (if, for example, a circular membrane or counter structure is considered) which, together with segments of the membrane in the form of segments of a circle, define capacitors, with parallel - or series connection of different capacitors any desired electrode areas, which were calculated in a previous numerical simulation, can be "put together" to a certain extent.
  • This provides an extremely flexible concept, especially when using a multilayer structure for the counter structure, since the metallization structuring of both the membrane and the counter structure and the integrated - 4 -
  • set evaluation circuit for each application d. H. are the same for each pressure / capacity dependency or force / capacity dependency, while the parallel connection of individual capacitors, i. H. the "composition" of the calculated electrode areas is only caused by the multilayer structuring of the counter structure or the membrane.
  • the area resolution, i.e. H. the shape of the "composable" surfaces is determined by the number of individual electrode surfaces and the opposite electrode surfaces of the other element of the pressure or force sensor structure. If sufficiently small electrode areas are provided, corresponding numerically calculated electrode areas can be assembled almost arbitrarily by connecting corresponding capacitor elements in parallel.
  • ration is, especially if it is attached to the fixed element of the pressure or force sensor structure, or even forms it, from very cheap materials and due to the very highly developed multilayer technology, too, despite the different design, it can be produced very economically for any dependency.
  • Fig. 1 is a schematic diagram illustrating the principle when only one element is contacted
  • FIG. 2 shows a schematic representation of either the counter structure or the membrane of the pressure or force sensor structure according to the invention
  • FIG. 3 shows a cross section through the structure shown in FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a cross section through the pressure or force sensor structure according to the invention, in which an electrical shielding grid is used;
  • FIG. 5 is a simplified circuit diagram of an evaluation circuit that can be used advantageously with the pressure or force sensor structure of the present invention
  • FIG. 6 shows an example of a pressure or force sensor structure according to the invention on a bending beam
  • FIG. 7a shows a pressure or force sensor structure with two circular membranes for a two-sided measurement
  • FIG. 8a is a numerical simulation of the distance of the membrane from the counter structure for the structure shown in FIG. 7b;
  • 8b is a numerical simulation of the capacity of a
  • 9a shows the filling volume of a lying cylinder as a function of the filling level to explain the simulation of a non-linear characteristic
  • FIG. 10 shows a schematic top view of a counter structure of a pressure or force sensor structure according to the invention, which realizes the transfer function shown in FIG. 9 b.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a pressure or force sensor structure 10 with a membrane 12 and a counter structure 14. It should be pointed out that a case is shown in FIG. 1 only for the sake of illustration in which the counter structure 14 is fixed while the Membrane is shown as movable, ie as deformable.
  • the membrane 12 is held relative to the support structure 14 by means of a preferably rigid holding device 16, so that when the pressure P is applied, the membrane 12 bends in the direction of the counter structure 14. It is obvious that the deflection in the middle will be much stronger than at the edge area. - 7 -
  • the capacitor 18 comprises a connection 1 and a first and a second electrode surface 18a, 18b, which are applied on the counter structure 14, and a third electrode surface 18c, which is arranged in this way with respect to the first and the second electrode surface 18a, 18b on the membrane 12 that a first capacitance C a is present between the first electrode surface 18a and the third electrode surface, while a further capacitance Cj- is present between the second electrode surface 18b and the third electrode surface 18c.
  • the capacitance of the capacitor 18 which can be measured at the connections 1 and 2 thus consists of a series connection between the individual capacitances C a and C] -,.
  • the second capacitor 20 is constructed analogously to the first capacitor 18 and likewise comprises a first and a second electrode surface 20a, 20b and a third electrode surface 20c.
  • the capacitance of the capacitor 20 which can be measured at the connections 3 and 4 is thus likewise composed of a series connection of a first capacitance C c between the first electrode surface 20a and the third electrode surface 20c, which is attached to the membrane 12, and a capacitance C ⁇ , which is formed between the second electrode surface 20b on the counter structure 14 and the third electrode surface 20c on the membrane 12.
  • the capacitor concept shown in Fig. 1 has the decisive advantage that only the counter structure 14 with - 8th -
  • first and second electrode surfaces 18a, 18b and 20a, 20b can be accomplished on the lower side of the counter structure with respect to FIG. 1, for example by means of conductor tracks, or else by means of a multilayer structure as is also described further below.
  • the two capacitors 18, 20, which will be placed at any point with respect to the membrane 12 depending on the desired application, can now be connected in series or in parallel in order to provide a sensor output signal U a with the desired dependency.
  • the direct sensor output signal V out may be processed 22 with an integrated circuit IC, to provide a processed output signal U to obtain a '.
  • integrated circuits 22 typically have more than two inputs for a single voltage, whereby the output signals of several interconnected capacitors can be combined in any way.
  • more than two capacitors can and preferably are connected in parallel or in series or both in series and in parallel in order to obtain a desired dependency or a sensitivity of the pressure or force sensor structure 10 that is adapted to the application.
  • the individual electrode surfaces 18a-18c and 20a-20c are preferably suitably structured on the membrane or the support structure, in order to obtain a capacitance curve solely on the basis of the electrode shape, which then, together with the interconnection of the capacitors, achieves the desired pressure / capacitance or force / capacity curve, - 9 -
  • a parallel connection of capacitors is preferred over a series connection, since when capacitors are connected in series, the smaller capacitance always has the dominant influence, which under certain circumstances can lead to loss of sensitivity.
  • the parallel connection of capacitors allows the simple "composition" of "macroscopic” electrode surfaces from “microscopic” electrode surfaces.
  • FIG. 2 shows a top view of a preferred embodiment of the pressure or force sensor structure 10 according to the invention, special attention being paid to the metallization of the support structure 14.
  • the membrane 12 is only indicated by a third electrode surface 18c or 20c.
  • the support structure 14 has a plurality of circular segment-shaped electrode surfaces which can be connected by means of a corresponding electrode in the membrane 12 to give capacitors.
  • Schematic connections 24 and 26 show an interconnection of two capacitors to form a first group (24) or to form a second group (26).
  • the individual elementary shape of the electrode surfaces which is circular segment-like in FIG. 2, can take any other shape. For circular membranes, however, a sector-shaped design is appropriate.
  • any groups, that is to say more than two groups, of interconnected capacitors can be formed, depending on which dependency is desired or which evaluation circuit 22 is available.
  • the number of rings with electrode surfaces can be selected as desired, with an arbitrarily precise surface composition being achieved by dimensioning the elementary electrode surfaces as small as desired.
  • the individual electrode surfaces must be separated from one another by non-conductive webs. This will represent a lower limit for the area of the individual electrode areas, since the effective electrode area decreases with increasing ratio of non-conductive webs to the metallization area and thus the sensitivity of the sensor structure also decreases.
  • FIG. 3 shows a cross section through the pressure or force sensor structure of FIG. 2.
  • the structure of the counter structure is indicated in FIG. 3 as a multilayer structure.
  • the counterstructure consists, for example, of four layers 14a to 14d, the first and second electrode surfaces 18a, 18b and 20a, 20b being provided on layer 14d, with corresponding third electrode surfaces 18c and 20c lying opposite them.
  • 3 shows the situation in which the two capacitors 18 and - 11 -
  • FIG. 4 shows a further example of a pressure or force sensor structure according to the invention, the membrane 12 being designed as a multi-layer structure, but not only for interconnecting several elements, but for accommodating a shielding grid 28 within a “sandwich” structure, this "sandwich” "Structure can be present both in the counter structure 14 and in the membrane 12, as shown in FIG. 4.
  • This shielding grille or a continuous shielding coating is used for the electromagnetic decoupling of external fields or influences.
  • FIG. 5 shows an evaluation circuit 30 which can preferably be used with the pressure or force sensor structure 10 according to the present invention.
  • Cf feedback
  • reference capacitances C r and signal capacitances C s are also provided via the nodes B and B ' - 12 -
  • both C r and C s and Cf can be capacitances of interconnected capacitors, as is symbolically indicated by the arrows U a f, U as and U ar .
  • the interconnection 24 could be used to generate a capacitance Cf
  • the interconnection 26 could be used to generate a signal capacitance C s
  • another interconnection could be used to generate a reference capacitance C r .
  • FIG. 5 The circuit principle on which Fig. 5 is based is known and therefore need not be explained further. However, it should be noted that a DC voltage is present at the inputs A and A 'of the circuit 30, which is alternately reversed.
  • the output signal which has the desired dependency, ie U a '(Fig. 1) is taken at nodes C and C.
  • necessary switches have also been omitted for reasons of clarity, since FIG. 5 is based on the "switched capacitor" principle, which is known in the art and is based on the fact that, in the configuration shown, switched capacitances behave analogously to resistors.
  • the double connection of the operational amplifier 32 has the advantage that there is less operating voltage dependency using the differential path principle.
  • the output signal U a 'at nodes C and C is proportional to the quotient (C 3 -C r / Cf).
  • C s , Cf and C r are corresponding groups of the capacitors, which can be formed by connecting individual capacitors in parallel and / or in series, a single capacitor comprising at least a first and a second electrode area and additionally one third electrode surface.
  • Fig. 5 circuit is connected.
  • FIG. 6 shows the concept according to the invention on the basis of a bending beam, which is analogous to the membrane 12 and is loaded by a force F at its end, and which is opposed by a sensor base body 14, the metallizations being shown only schematically.
  • An electrode division suitable for adapting to different characteristic curve shapes is shown in FIG. 6, for example. This electrode division could be placed on the underside of the bar.
  • the available area is divided into a number of transverse strips 34a to 34d, the bend, as the bending line specifies, being greatest at strip 34a, while decreasing to strip 34d.
  • the transverse strips can now be divided into any number of longitudinal strips, the three measuring capacitances C s , C f and C r in the example shown in FIG.
  • the electrode surface pattern on which FIG. 6 is based will now not be an array of circular surface segments, but rather an array of squares which are connected in parallel via the counter structure 14 or the bending beam 12 in order to reproduce the surfaces shown on the right in FIG. 6 can.
  • FIG. 7a shows a further example of a pressure or force sensor structure 10 according to the present invention, which has a double membrane 12a and 12b. Both membranes are additionally provided with a plunger 36a, 36b for power transmission. In addition, both membranes have a "sandwich" -like structure, in which a shielding grid 28 is accommodated, and a metallization on both the upper membrane 12a and the lower membrane 12b to form capacitors 18, 20.
  • FIG. 7b does not show a force sensor but a pressure sensor 10, which likewise has a membrane 12 with a shielding grating 28 and metallization, which is opposed to a metallization of the counter structure 14 in order to form capacitors 18, 20 again.
  • a support structure 38 is shown only schematically in FIG. 7b, which can also be used with all other sensors according to the invention in order to support the membrane at the edge of its permissible deflection area in order to avoid destruction of the same in the event of an overload.
  • FIG. 8a shows the result of a simulation of the deflection of the membrane from FIG. 7b, the distance of a surface element of the membrane 12 from the counter structure 14 varying depending on the location of the surface element on the membrane 12 and the pressure applied.
  • Each surface element which is simulated in FIG. 8b could have a third electrode surface or a first and second surface - 15 -
  • Electrode area, d. H. correspond to a single capacitor.
  • FIG. 8b thus shows the capacitance contribution of each individual capacitor, it being possible for certain individual capacitors to be connected in parallel and / or in series in order to determine a capacitance curve, as can be calculated, for example, by numerical optimization.
  • a desired output characteristic curve can be set within wide limits, preferably using an evaluation circuit with a feedback branch.
  • FIGS. 9a, 9b and 10 An area of application for emulating a nonlinear transfer function is explained below with reference to FIGS. 9a, 9b and 10.
  • the special case of a linear characteristic curve can of course also be realized with the present invention.
  • FIG. 9a shows the fill level curve of a lying cylinder.
  • the proportion of the filling volume in the total volume as a function of the filling height h of the cylinder is shown in FIG. 9a.
  • the output signal of the switched capacitor circuit shown in FIG. 5 which has a transmission function which is proportional to the quotient (C 3 -C r ) / Cf, must be adapted to the fill level curve or with the the same can be fitted.
  • the upper graphic in FIG. 9 represents the transfer function and the adapted function, while the lower graphic strongly emphasizes the relative deviation in percent between the fill level curve and the optimized sensor output curve as a function of the relative pressure on the sensor.
  • FIG. 10 shows an optimized pressure or force sensor structure, by means of which the results from FIG. 9b were realized.
  • the transfer function shown in the upper part in FIG. 9b was achieved by means of a circular membrane and a circular counter structure 14, only the counter structure being shown schematically in FIG. 10 for reasons of clarity.
  • the electrode areas of the capacitors C s , C R and C F for the circuit shown in FIG. 5 are shown in a quadrant.
  • the entire sensor structure results from mirroring the labeled quadrant on the X axis and mirroring the resulting semicircle on the Y axis.
  • an elementary capacitor is also indicated by the first and second electrode surfaces 18a and 18b, which is opposite a corresponding third electrode surface of the membrane (not shown) in order to form this elementary capacitor.
  • the calculated areas of the capacitances C s , C R and C F are constructed or put together by connecting corresponding elementary capacitors 18 in parallel by means of a multilayer structure 14a to 14d shown in FIG. 3.
  • the elementary electrode surface division shown in FIG. 10 is relatively fine and allows a very fine adaptation to a desired characteristic curve.
  • a coarser electrode area division would also suffice for the relatively coarse electrode structure shown in FIG. 10.
  • the dimensions shown in FIG. 10 result as follows, where w stands for a segment of a circle, while r stands for the relative radius, ie a radius based on the total radius R of the membrane. The following sizes resulted: - 17 -
  • the pressure or force sensor structures according to the present invention have several advantages.
  • the "active" electrodes no longer have to be connected galvanically.
  • a general calculation method allows the characteristic curve transformation of the sensor structures within wide limits for the combination of appropriately shaped insulated electrode surfaces, preferably three capacitor groups being used for the evaluation circuit described.
  • the "wiring” option of the layer structure is particularly advantageous in connection with a "switched capacitor” evaluation circuit, which is preferably provided directly on the counter structure.
  • the structure according to the invention also allows the use of glass membranes, onto which only the third electrode surfaces have to be evaporated, and for which no wiring of the membrane is necessary.
  • Electrode structures can preferably be made with a few details, such as. B. Define length, width, distance or angle, radius.

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Abstract

Eine Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) umfasst eine Membran (12) und eine Gegenstruktur (14), wobei auf der Membran (12) und der Gegenstruktur (14) jeweils Elektroden (18a-c, 20a-c) zur Festlegung von Kondensatoren (18, 20) vorgesehen sind. Zur Festlegung einer erwünschten Druck/Kapazitäts-Abhängigkeit bzw. einer erwünschten Kraft/Kapazitäts-Abhängigkeit werden wenigstens zwei der Kondensatoren (18, 20) seriell oder parallel geschaltet. Vorzugsweise ist die Gegenstruktur feststehend und umfasst eine Vielzahl von kreissegmentförmigen Elektrodenflächen, um durch Optimierung erhaltene Elektrodenflächen mittels Serien- oder Parallelschaltung zusammenzubauen. Vorzugsweise kann die Zusammenschaltung der einzelnen Elementarkondensatoren mittels eines Mehrschichtaufbaus realisiert werden. In diesem Falle kann für jede erwünschte Druck/Kapazitäts- oder Kraft/Kapazitäts-Abhängigkeit dieselbe Membran (12) und eine identische Auswerteschaltung eingesetzt werden, wobei lediglich der Mehrschichtaufbau für eine andere Abhängigkeit verändert werden muss. Die Elektrodenstrukturen lassen sich vorzugsweise mit wenigen Angaben, wie z.B. Länge, Breite, Abstand bzw. Winkel, Radius definieren.

Description

KAPAZITIVE DRUCK- ODER KRAFTSENSORSTRUKTUR UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DERSELBEN
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Sensorik und insbesondere auf kapazitive Druck- oder Kraftsensoren zur Messung physikalischer Größen wie Kraft, Absolutdruck, Differenzdruck, Auslenkung, Abstand und dergleichen.
Bei kapazitiven Sensoren, wie sie beispielsweise in dem europäischen Patent 0 461 459 beschrieben sind, ist der Kennlinienverlauf, d. h. das Drucksensorausgangssignal als Funktion der zu messenden Größe, im wesentlichen durch deren mechanische Eigenschaften bestimmt. Das heißt, daß die Verformung einer auslenkbaren Membran über einer Grundstruktur oder die Verschiebung eines Biegebalkens in Folge einer äus- seren Kraft den Kennlinienverlauf direkt festlegt, wenn eine flächige Elektrode an dem beweglichen Element einer flächigen Elektrode an dem festen Element gegenüber liegt.
In der WO 90/12299 ist ein kapazitiver Drucksensor beschrieben, bei dem das auslenkbare Element, d. h. die Membran, eine einzige flächige Elektrode aufweist, während auf der Grundstruktur bereits drei Elektroden vorgesehen sind, von denen eine unabhängig vom angelegten Druck ein konstantes Ausgangssignal liefert, während die beiden anderen Elektroden zusammen mit der an der Membran angebrachten Elektrode jeweils zwei kapazitive Ausgangssignale liefern, welche bei gleicher angelegter Kraft unterschiedlich sind.
Aus dem deutschen Patent 41 07 345 ist ebenfalls eine Druckmessanordnung bekannt, bei der sowohl eine Membran als auch die derselben gegenüberliegende Struktur bereits mehrere Kapazitäten aufweisen, die bei gleicher Auslenkung der Membran zu unterschiedlichen kapazitiven Ausgangssignalen füh- WO 99/53286 - 2 - PCT/EP99/02431 _.
ren. Nachteilig an dieser Anordnung ist zum einen die relativ komplizierte Form der einzelnen Elektroden. Die Elektrodenform ist zudem nicht direkt durch geometrische Daten, wie z. B. Winkel und zugehörige Radien, zu beschreiben. Zum anderen müssen für unterschiedliche Anwendungen die Elektrodenflächen sowohl der Membran als auch der Auflagestruktur neu gestaltet werden. Außerdem ist es bei der beschriebenen Anordnung erforderlich, daß sowohl alle Elektroden der Auf- lagestruktur als auch alle Elektroden der Membran einzeln kontaktiert werden müssen, damit sichergestellt wird, daß die einzelnen Messkapazitäten auf unterschiedlichen Potentialen liegen, um eine rückgekoppelte Auswerteschaltung verwenden zu können, die auf dem Switched-Capacitor-Prinzip aufbaut.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Konzept zu schaffen, das eine einfache und flexibel einsetzbare Druck- oder Kraftsensorstruktur schafft, deren Kennlinienverlauf mit einem gewünschten Kennlinienverlauf in Übereinstimmung gebracht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Druck- oder Kraftsensorstruktur gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen einer Druck- oder Kraftsensorstruktur gemäß Anspruch 17 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Druck- oder KraftsensorStruktur umfaßt eine Membran und eine Gegenstruktur, wobei auf der Membran und der Gegenstruktur jeweils Elektroden zur Festlegung von Kondensatoren vorgesehen sind. Zur Festlegung einer gewünschten Druck/Kapazität-Abhängigkeit bzw. Kraft/Kapazität-Abhängigkeit sind wenigstens zwei der Kondensatoren seriell oder parallel geschaltet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zum Erreichen einer Unabhängigkeit des Kennlinienverlaufs mehrere einzelne Kapazitäten durch entsprechende Elektrodenkonfigurationen in einer Druck- oder Kraftsensorstruk- - 3 -
tur vorgesehen werden, welche bei gleicher Auslenkung eine unterschiedliche Kapazität liefern. Durch Parallel- oder Seriell-Schalten dieser Kondensatoren kann dann ein kombinierter Kapazitätsverlauf als Funktion der Auslenkung der Membran erhalten werden, der einem gewünschten Verlauf entspricht. Dies bedeutet also, daß der gewünschte Kapazitätsverlauf zum einen durch eine geometrische Formung der Kondensatorelektroden im kapazitiven Sensor und zum anderen durch ein Verschalten von zumindest zwei Kondensatoren erhalten wird, welche entsprechend geformt sind. Somit existieren zumindest zwei Freiheitsgrade, um eine gewünschte Abhängigkeit zu erhalten.
Vorzugsweise werden viele Kondensatoren durch viele entsprechend geformte Elektroden festgelegt, die dann mittels einer Auswerteschaltung mit Rückkopplungseigenschaft geeignet verbunden werden, wodurch auch sehr komplizierte und besonders auch nichtlineare gewünschte Druck/Kapazitäts-Abhängigkeiten bzw. Kraft/Kapazitäts-Abhängigkeiten nachgebildet werden können.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht ferner darin, daß sie für verschiedene Anwendungen, d. h. verschiedene Abhängigkeiten eingesetzt werden kann, ohne wesentlich modifiziert zu werden. Zu diesem Zweck ist entweder die Membran oder die Gegenstruktur und vorzugsweise die Gegenstruktur mit einer Vielzahl von kreissegmentförmigen Elektrodenflächen (wenn z. B. eine kreisförmige Membran bzw. Gegenstruktur betrachtet wird) versehen, die zusammen mit kreissegmentförmigen Flächen der Membran Kondensatoren festlegen, wobei durch Parallel- oder Seriell-Schalten verschiedener Kondensatoren beliebige gewünschte Elektrodenflächen, die bei einer vorausgegangenen numerischen Simulation berechnet worden sind, gewissermaßen "zusammengesetzt" werden können. Dies liefert besonders bei einer Verwendung eines Mehrschichtaufbaus für die Gegenstruktur ein außerordentlich flexibles Konzept, da die Metallisierungsstrukturierung sowohl der Membran als auch der Gegenstruktur und die einge- - 4 -
setzte Auswerteschaltung für jede Anwendung, d. h. für jede Druck/Kapazitäts-Abhängigkeit bzw. Kraf /Kapazitäts-Abhängigkeit gleich sind, während die Parallelschaltung einzelner Kondensatoren, d. h. die "Zusammensetzung" der berechneten Elektrodenflächen, lediglich durch die Mehr- schichtstrukturierung der Gegenstruktur oder auch der Membran bewirkt wird. Die Flächenauflösung, d. h. die Form der "zusammensetzbaren" Flächen wird durch die Anzahl der einzelnen Elektrodenflächen und der gegenüberliegenden Elektrodenflächen des anderen Elements der Druck- oder Kraftsensorstruktur festgelegt. Werden genügend kleine Elektrodenflächen vorgesehen, so sind entsprechende numerisch berechnete Elektrodenflächen nahezu beliebig zusammensetzbar, indem entsprechende Kondensatorelemente parallel geschaltet werden.
Zur Reduzierung des damit ansteigenden Kontaktierungsauf- wands wird erfindungsgemäß ein Konzept verwendet, bei dem nicht, wie bisher beim Stand der Technik die Elektroden sowohl der Membran als auch der Gegenstruktur kontaktiert werden müssen, sondern lediglich entweder die Membran oder die Gegenstruktur kontaktiert werden. Dies trägt dazu bei, daß die Membran und die Gegenstruktur für jede erwünschte Abhängigkeit eine gleiche Metallisierung aufweisen, da die sozusagen makroskopische Gestaltung der Elektroden lediglich durch Zusammenschaltung einzelner Elementarkondensatoren vorzugsweise unter Verwendung einer Mehrschichtstrukturie- rung an nur einem Element bewirkt wird.
Nicht zu unterschätzen ist ferner die Tatsache, daß für alle erwünschten Abhängigkeiten lediglich eine Auswerteschaltung in Form einer elektronischen integrierten Schaltung eingesetzt werden kann, die für alle erwünschten Abhängigkeiten die gleiche ist und daher in hohen Stückzahlen und somit preisgünstig hergestellt werden kann. Für kapazitive Druckoder Kraftsensorstrukturen ist dies besonders wichtig, da dieselben zumeist in hohen Stückzahlen an vielen Stellen eines Systems eingesetzt werden. Die Mehrschichtstruktu- - 5 -
rierung ist, besonders wenn sie am feststehenden Element der Druck- oder Kraftsensorstruktur angebracht wird, bzw. dieses sogar bildet, aus sehr günstigen Materialien und aufgrund der sehr hoch entwickelten Mehrschichttechnologie ebenfalls trotz der anderen Gestaltung für jede Abhängigkeit sehr preisgünstig herstellbar.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Prinzips, wenn nur ein Element kontaktiert wird;
Fig. 2 eine schematische Darstellung entweder der Gegenstruktur oder der Membran der erfindungsgemäßen Druck- oder Kraftsensorstruktur;
Fig. 3 einen Querschnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Struktur;
Fig. 4 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Druck- oder Kraftsensorstruktur, bei der ein elektrisches Abschirmgitter verwendet wird;
Fig. 5 ein vereinfachtes Schaltbild einer Auswertungsschaltung, die auf vorteilhafte Weise mit der Druck- oder Kraftsensorstruktur der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
Fig. 6 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Druck- oder Kraftsensorstruktur an einem Biegebalken;
Fig. 7a eine Druck- oder Kraftsensorstruktur mit zwei kreisförmigen Membranen für eine zweiseitige Messung;
Fig. 7b eine erfindungsgemäße Druck- oder Kraftsensor- - 6 -
Struktur mit nur einer Membran und einer feststehenden Gegenstruktur;
Fig. 8a eine numerische Simulation des Abstands der Membran von der Gegenstruktur für die in Fig. 7b gezeigte Struktur;
Fig. 8b eine numerische Simulation der Kapazität eines
Flächenelements in Abhängigkeit vom angelegten
Druck und vom Abstand vom Zentrum der Struktur von Fig. 7b;
Fig. 9a das Füllvolumen eines liegenden Zylinders in Abhängigkeit von der Füllstandshöhe zur Erläuterung des Nachbildens einer nichtlinearen Kennlinie;
Fig. 9b einen Vergleich zwischen der realisierten Abhängigkeit mit der gewünschten Abhängigkeit einer erfindungsgemäßen Druck- oder Kraftsensorstruktur; und
Fig. 10 eine schematische Draufsicht auf eine Gegenstruktur einer erfindungsgemäßen Druck- oder Kraftsensorstruktur, die die in Fig. 9b dargestellte Übertragungsfunktion realisiert.
Fig. l zeigt eine schematische Ansicht einer Druck- oder Kraftsensorstruktur 10 mit einer Membran 12 und einer Gegenstruktur 14. Es sei darauf hingewiesen, daß in Fig. 1 lediglich aus Darstellungsgründen ein Fall gezeigt ist, bei dem die Gegenstruktur 14 fest ist, während die Membran als beweglich, d. h. als verformbar, eingezeichnet ist. Die Membran 12 wird gegenüber der Auflagestruktur 14 mittels einer vorzugsweise starren Halteeinrichtung 16 gehalten, damit bei angelegtem Druck P eine Durchbiegung der Membran 12 in Richtung der Gegenstruktur 14 auftritt. Es ist offensichtlich, daß die Durchbiegung in der Mitte wesentlich stärker sein wird als am Randbereich. - 7 -
Zur Erfassung der Durchbiegung auf kapazitive Art und Weise sind in Fig. 1 zwei Kondensatoren 18, 20 dargestellt. Der Kondensator 18 umfaßt einen Anschluß 1 sowie eine erste und eine zweite Elektrodenfläche 18a, 18b, die auf der Gegenstruktur 14 aufgebracht sind, sowie eine dritte Elektrodenfläche 18c, die derart bezüglich der ersten und der zweiten Elektrodenfläche 18a, 18b an der Membran 12 angeordnet ist, daß zwischen der ersten Elektrodenfläche 18a und der dritten Elektrodenfläche eine erste Kapazität Ca vorhanden ist, während zwischen der zweiten Elektrodenfläche 18b und der dritten Elektrodenfläche 18c eine weitere Kapazität Cj-, vorhanden ist. Die an den Anschlüssen 1 und 2 meßbare Kapazität des Kondensators 18 besteht somit aus einer Serienschaltung zwischen den einzelnen Kapazitäten Ca und C]-,. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenfläche ferner eine Streukapazität vorhanden sein kann, die von der Auslenkung der Membran 12 im wesentlichen unbeeinflußt ist. Diese Streukapazität sollte klein sein, um eine Kapazitätsänderung aufgrund der Auslenkung der Membran nicht zu verdecken. Dies ist jedoch meistens erfüllt, da der Abstand zwischen Membran und Gegenstruktur üblicherweise sehr klein ist.
Der zweite Kondensator 20 ist analog zum ersten Kondensator 18 aufgebaut und umfaßt ebenfalls eine erste und eine zweite Elektrodenfläche 20a, 20b sowie eine dritte Elektrodenfläche 20c. Die an den Anschlüssen 3 und 4 meßbare Kapazität des Kondensators 20 setzt sich somit ebenfalls aus einer Serienschaltung einer ersten Kapazität Cc zwischen der ersten Elektrodenfläche 20a und der dritten Elektrodenfläche 20c, die an der Membran 12 angebracht ist, und einer Kapazität C^ zusammen, die zwischen der zweiten Elektrodenfläche 20b an der Gegenstruktur 14 und der dritten Elektrodenfläche 20c an der Membran 12 gebildet ist.
Das in Fig. 1 gezeigte Kondensatorkonzept hat den entscheidenden Vorteil, daß lediglich die Gegenstruktur 14 mit - 8 -
Kontakten versehen werden muß, während das aktive Element d. h. die Membran 12, die sich bei angelegtem Druck P auslenkt, keinerlei Kontakte benötigt. Damit ist eine wesentliche Vereinfachung erreicht. Außerdem ist es bei entsprechender Gestaltung der Membran möglich, daßp für jede Abhängigkeit die gleiche Membran eingesetzt wird, wie es weiter hinten beschrieben ist. Die Kontaktierung der ersten und zweiten Elektrodenflächen 18a, 18b und 20a, 20b kann auf der bezüglich Fig. 1 unteren Seite der Gegenstruktur beispielsweise mittels Leiterbahnen bewerkstelligt werden, oder aber mittels einer Mehrschichtstruktur wie es ebenfalls weiter hinten beschrieben ist.
Zum Erreichen einer gewünschten Kapazitätsabhängigkeit der Druck- oder Kraftsensorstruktur 10 können nun die beiden Kondensatoren 18, 20, die abhängig von der erwünschten Anwendung an irgendeiner Stelle bezüglich der Membran 12 plaziert sein werden, seriell oder parallel verschaltet werden, um ein Sensorausgangssignal Ua mit der gewünschten Abhängigkeit zu erhalten. Lediglich vorzugsweise kann das direkte Sensorausgangssignal Ua mit einer integrierten Schaltung IC 22 verarbeitet werden, um ein verarbeitetes Ausgangssignal Ua' zu erhalten. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß integrierte Schaltungen 22 üblicherweise mehr als zwei Eingänge für eine einzige Spannung haben, wodurch die Ausgangssignale mehrere verschalteter Kondensatoren auf beliebige Weise kombiniert werden können. Weiterhin können und werden vorzugsweise auch mehr als zwei Kondensatoren parallel oder seriell oder sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltet, um eine erwünschte Abhängigkeit bzw. auch eine der Anwendung angepaßte Empfindlichkeit der Druck- oder Kraftsensorstruktur 10 zu erhalten. Weiterhin werden die einzelnen Elektrodenflächen 18a - 18c und 20a - 20c vorzugsweise geeignet auf der Membran bzw. der Auflage- struktur strukturiert, um allein aufgrund der Elektrodenformung schon einen Kapazitätsverlauf zu erhalten, der dann zusammen mit der Zusammenschaltung der Kondensatoren den gewünschen Druck/Kapazitäts- bzw. Kraft/Kapazitäts-Verlauf, - 9 -
d. h. ein bestimmtes Ausgangssignal Ua als Funktion des angelegten Drucks P, ergibt.
Im allgemeinen wird eine Parallelschaltung von Kondensatoren gegenüber einer Serienschaltung eher bevorzugt, da bei einer Serienschaltung von Kondensatoren immer die kleinere Kapazität den dominierenden Einfluß hat, was unter Umständen zu Empfindlichkeitsverlusten führen kann. Außerdem erlaubt die Parallelschaltung von Kondensatoren die einfache "Zusammensetzung" von "makroskopischen" Elektrodenflächen aus "mikroskopischen" Elektrodenflächen.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druck- oder Kraftsensor- struktur 10, wobei besonderes Augenmerk auf die Metallisierung der Auflagestruktur 14 gelegt wurde. Die Membran 12 ist dagegen lediglich durch eine dritte Elektrodenfläche 18c bzw. 20c angedeutet. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Auflagestruktur 14 eine Vielzahl von kreissegmentförmigen Elektrodenflächen aufweist, welche mittels einer entsprechenden Elektrode in der Membran 12 verschaltet werden können, um Kondensatoren zu ergeben. Schematische Verbindungen 24 und 26 zeigen eine Zusammenschaltung zweier Kondensatoren, um eine erste Gruppe zu bilden (24) bzw. um eine zweite Gruppe (26) zu bilden. Es sei darauf hingewiesen, daß die einzelne Elementarform der Elektrodenflächen, die in Fig. 2 kreissegmentartig ist, eine beliebige andere Form annehmen kann. Für kreisrunde Membranen bietet sich jedoch eine kreissektorförmige Gestaltung an.
Weiterhin ist es nicht erforderlich, daß zwei auf ein und demselben Kreisring angeordnete Elektrodenflächen zusammen mit einer entsprechend geformten Elektroden läche der Membran einen Kondensator bilden. Es ist ebenfalls möglich, daß Kondensatoren durch Elektrodenflächen in verschiedenen Kreisringen gebildet werden. Außerdem ist es nicht erforderlich, daß die Zusammenschaltungen der Kondensatoren lediglich in einem Kreisquadranten erfolgt. Die Leiterstrukturen - 10 -
24 und 26 können beliebig gestaltet werden, wobei es prinzipiell auch denkbar wäre, daß ein Kondensator, der, wie es in Fig. 1 dargestellt wurde, aus drei Elektrodenflächen besteht, von denen zwei auf einem Element und das Dritte auf einem anderen Element der Sensorstruktur 10 ist, in beiden Gruppen vorhanden ist. Außerdem können beliebigen Gruppen, also auch mehr als zwei Gruppen von zusammengeschalteten Kondensatoren gebildet werden, jenachdem welche Abhängigkeit erwünscht ist, bzw. welche Auswerteschaltung 22 zur Verfügung steht. Außerdem ist die Anzahl der Ringe mit Elektrodenflächen beliebig wählbar, wobei eine beliebig genaue Flächenzusammensetzung durch eine beliebig kleine Dimensionierung der elementaren Elektrodenflächen erreicht wird.
Selbstverständlich müssen die einzelnen Elektrodenflächen durch nicht-leitende Stege voneinander getrennt werden. Dies wird eine untere Grenze für die Fläche der einzelnen Elektrodenflächen darstellen, da mit zunehmendem Verhältnis von nicht leitenden Stegen zu der Metallisierungsfläche die wirksame Elektrodenfläche abnimmt und somit die auch die Empfindlichkeit der Sensorstruktur zurückgeht. Für eine hohe Empfindlichkeit der Sensorstruktur ist es notwendig, wenn möglich alle Elektrodenflächen irgendwie zu verschalten, wobei es aber genauso abhängig von der erwünschten Druck/Kapazitäts-Abhängigkeit bzw. Kraft/Kapazitäts-Abhängigkeit genauso möglich ist, nur einige der prinzipiell zur Verfügung stehenden Kondensatoren zu verwenden, und die anderen unbenutzt zu lassen.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Druck- oder Kraftsensorstruktur von Fig. 2. Insbesondere ist in Fig. 3 der Aufbau der Gegenstruktur als MehrSchichtstrukturierung angedeutet. Die Gegenstruktur besteht dabei beispielsweise aus vier Schichten 14a bis 14d, wobei auf der Schicht 14d die ersten und zweiten Elektrodenflächen 18a, 18b und 20a, 20b vorgesehen sind, denen entsprechende dritte Elektrodenflächen 18c und 20c gegenüber liegen. In Fig. 3 ist die Situation gezeigt, bei der die beiden Kondensatoren 18 und - 11 -
20 parallel geschaltet sind. Diese Parallelschaltung wird mittels auf den Mehrschichtstrukturen vorgesehenen Leiterbahnen erreicht, die durch Durchgangslöcher in den Mehrschichtstrukturen von einer Schicht zur nächsten Schicht verbunden sind. Indem eine Mehrschichtstrukturierung für die feste Gegenstruktur 14 verwendet wird, ist es möglich, nur eine einzige Auswerteschaltung 22 für alle beliebigen Anwendungen einzusetzen, da die Leiterbahnen auf der obersten Schicht 14a, auf der die integrierte Schaltung 22 direkt befestigt werden kann, derart gestaltet werden kann, daß entsprechende Elemente mit den bestimmten dafür vorgesehenen Eingängen der integrierten Schaltung 22 verbunden werden. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß in Abhängigkeit von den erwarteten bzw. notwendigen Auslenkungen der Membran die Membran selbst ebenfalls den mehrschichtigen Aufbau haben kann, während die Gegenstruktur fest ist und keine Kontaktierungen hat. Dies wird jedoch der eher seltenere Anwendungsfall sein.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Druck- oder Kraftsensorstruktur, wobei die Membran 12 als Mehrsehichtaufbau ausgeführt ist, jedoch nicht nur zum Zusammenschalten mehrerer Elemente, sondern zum Aufnehmen eines Abschirmgitters 28 innerhalb eines "Sandwich"-Aufbaus, wobei dieser "Sandwich"-Aufbau sowohl in der Gegenstruktur 14 als auch in der Membran 12, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, vorhanden seien kann. Dieses Abschirmgitter bzw. eine durchgehende Abschirmbeschichtung dient zum elektromagnetischen Entkoppeln von äußeren Feldern oder Einflüssen.
Fig. 5 zeigt eine Auswerteschaltung 30, die vorzugsweise mit der Druck- oder Kraftsensorstruktur 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann. Die Auswerteschaltung 30 umfaßt einen Operationsverstärker 32 mit zwei Rückkopplungszweigen 34a, 34b, wobei beide Rückkopplungszweige jeweils eine Rückkopplungskapazität Cf (f=feedback) umfassen. Mit dem Operationsverstärker 32 sind ferner über die Knoten B und B' Referenzkapazitäten Cr und Signalkapazitäten Cs - 12 -
verbunden. Es sei darauf hingewiesen, daß sowohl Cr als auch Cs als auch Cf Kapazitäten von zusammengeschalteten Kondensatoren sein können, wie es durch die Pfeile Uaf, Uas und Uar symbolisch angedeutet ist. So könnte beispielsweise zur Erzeugung einer Kapazität Cf die Zusammenschaltung 24 verwendet werden, während für die Erzeugung einer Signalkapazität Cs die Zusammenschaltung 26 und zur Erzeugung einer Referenzkapazität Cr eine weitere Zusammenschaltung eingesetzt werden.
Das Schaltungsprinzip, das Fig. 5 zugrundeliegt, ist bekannt und muß daher nicht weiter ausgeführt werden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß an den Eingängen A und A' der Schaltung 30 eine Gleichspannung anliegt, die abwechselnd umgepolt wird. Das Ausgangssignal, das die gewünschte Abhängigkeit besitzt, d. h. Ua' (Fig. 1) wird an den Knoten C und C abgenommen. In Fig. 5 wurden aus Übersichtlichkeitsgründen ferner notwendige Schalter weggelassen, da Fig. 5 auf dem "Switched-Capacitor"-Prinzip aufbaut, das in der Technik bekannt ist und darauf basiert, daß sich in der gezeichneten Konfiguration geschaltete Kapazitäten analog zu Widerständen verhalten. Die Doppelbeschaltung des Operationsverstärkers 32 hat den Vorteil, daß unter Verwendung des Differenzpfadprinzips eine geringere Betriebsspannungsabhängigkeit vorhanden ist. Das Ausgangssignal Ua' an den Knoten C und C ist dabei proportional zu dem Quotienten (C3-Cr/Cf) . Cs, Cf und Cr sind dabei, wie es bereits erwähnt wurde, entsprechende Gruppen der Kondensatoren, die durch Parallel- und/oder Serienschaltung einzelner Kondensatoren gebildet sein können, wobei ein einzelner Kondensator aus zumindest einer ersten und einer zweiten Elektrodenfläche und zusätzlich einer dritten Elektrodenfläche besteht.
Die nachfolgend dargelegten Realisierungsbeispiele der Druck- oder Kraftsensorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung und die erhaltenen Meßergebnisse bzw. Simulationsergebnisse basieren auf einer in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Druck- oder Kraftsensorstruktur, die mit der in - 13 -
Fig. 5 gezeigten Schaltung verbunden ist.
Fig. 6 zeigt das erfindungsgemäße Konzept anhand eines Biegebalkens, der zur Membran 12 analog ist und durch eine Kraft F an seinem Ende belastet wird, und dem ein Sensorgrundkörper 14 gegenüberliegt, wobei die Metallisierungen nur schematisch eingezeichnet sind. Eine zur Anpassung an verschiedene Kennlinienformen geeignete Elektrodenaufteilung ist beispielsweise in Fig. 6 gezeigt. Diese Elektrodenaufteilung könnte auf der Balkenunterseite angebracht werden. Die zur Verfügung stehende Fläche wird dabei in eine Anzahl von Querstreifen 34a bis 34d unterteilt, wobei die Biegung, wie es die Biegelinie vorgibt, am Streifen 34a am stärksten seien wird, während sie zum Streifen 34d abnimmt. Die Querstreifen können nun in eine beliebige Anzahl von Längsstreifen unterteilt werden, wobei sich die drei Meßkapazitäten Cs, Cf und Cr bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel aus jeweils vier Elektrodenstreifen mit unterschiedlicher Länge und Breite zusammensetzen. Die Länge und Breite der einzelnen Streifen und die Aufteilung auf die drei Meßkapazitäten bestimmt nun das Ausgangssignal des Sensors, wobei die gewünschte Druck/Kapazitäts-Abhängigkeit bzw. Kraft/Kapazitäts-Abhängigkeit eingestellt werden kann. Das Fig. 6 zugrundeliegende Elektrodenflächenmuster wird nun im Gegensatz zu Fig. 2 kein Array aus Kreisflächensegmenten sein, sondern ein Array aus Quadraten, die über die Gegenstruktur 14 oder den Biegebalken 12 parallel geschaltet werden, um die rechts in Fig. 6 gezeigten Flächen nachbilden zu können.
Fig. 7a zeigt ein weiteres Beispiel für eine Druck- oder Kraftsensorstruktur 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, welche eine Doppelmembran 12a und 12b aufweist. Beide Membranen sind zusätzlich mit einem Stößel 36a, 36b zur Kraftübertragung versehen. Außerdem haben beide Membranen einen "Sandwich"-artigen Aufbau, in dem ein Abschirmgitter 28 aufgenommen ist, sowie sowohl an der oberen Membran 12a als auch an der unteren Membran 12b eine Metallisierung zum Bilden von Kondensatoren 18, 20. Die einzelne Elektrodenflä- - 14 -
chenaufteilung ist aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 7 nicht dargestellt. Bei dem in Fig. 7a gezeigten Beispiel mit Doppelmembran ist die in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Serienschaltung von zwei Elementar-Kapazitäten von besonderem Vorteil, da eine Kontaktierung nur auf einer Membran 12a oder 12b durchgeführt werden muß. Die Zusammenschaltung könnte hier ebenfalls durch eine Mehrschichtstrukturierung an einer Membran realisiert werden. Eher wünschenswert ist hier jedoch eine Zusammenschaltung mittels Leiterbahnen, wenn die Membranen sehr empfindlich reagieren sollen und damit nicht besonders dick sein dürfen.
Fig. 7b zeigt im Gegensatz zu Fig. 7a keinen Kraftsensor sondern einen Drucksensor 10, der ebenfalls eine Membran 12 mit Abschirmgitter 28 und Metallisierung aufweist, der eine Metallisierung der Gegenstruktur 14 gegenüberliegt, um wieder Kondensatoren 18, 20 zu bilden. Nur schematisch ist in Fig. 7b eine Abstützungsstruktur 38 eingezeichnet, die bei allen anderen erfindungsgemäßen Sensoren ebenfalls eingesetzt werden kann, um die Membran am Rande ihres zulässigen Auslenkungsbereiches abzustützen, um eine Zerstörung derselben bei Überlast zu vermeiden.
Auch in Fig. 7b ist aus Übersichtlichkeitsgründen nicht die Strukturierung der Metallisierungen an Membran und Gegenstruktur eingezeichnet.
Fig. 8a zeigt das Ergebnis einer Simulation der Auslenkung der Membran von Fig. 7b, wobei der Abstand eines Flächenelements der Membran 12 zu der Gegenstruktur 14 abhängig von dem Ort des Flächenelements auf der Membran 12 und dem angelegten Druck variiert.
Fig. 8b zeigt die numerische Simulation der Kapazität jedes Flächenelements in Abhängigkeit der Position (relativer Radius) als auch des angelegten Drucks. Jedes Flächenelement, das in Fig. 8b simuliert ist, könnte dabei einer dritten Elektroden läche bzw. einer ersten und zweiten - 15 -
Elektrodenfläche, d. h. einem Einzelkondensator entsprechen.
In Fig. 8b ist somit der Kapazitätsbeitrag jedes einzelnen Kondensators dargestellt, wobei zur Festlegung eines Kapazitätsverlaufs bestimmte Einzelkondensatoren parallel und/oder in Serie geschaltet werden können, wie es beispielsweise durch eine numerische Optimierung berechnet werden kann. Damit kann mittels einer entsprechenden geometrischen Aufteilung der Elektrodenflächen eine gewünschte Ausgangskennlinie vorzugsweise unter Verwendung einer Auswerteschaltung mit Rückkopplungszweig in weiten Grenzen eingestellt werden.
Ein Anwendungsbereich zur Nachbildung einer nichtlinearen Ubertragungsfunktion wird im nachfolgenden anhand der Fig. 9a, 9b und 10 erläutert. Selbstverständlich kann mit der vorliegenden Erfindung auch der Spezialfall einer linearen Kennlinie realisiert werden.
Fig. 9a zeigt die Füllstandskurve eines liegenden Zylinders. Insbesondere ist in Fig. 9a der Anteil des Füllvolumens am Gesamtvolumen als Funktion der Füllhöhe h des Zylinders dargestellt. Um eine Druck- oder Kraftsensorstruktur einsetzen zu können, die die in Fig. 9a gezeigte Füllstandskurve nachbildet, muß dieselbe eine entsprechende nichtlineare Abhängigkeit des Ausgangssignals von dem im Tank vorhandenen Druck haben. Dabei muß mittels eines geeigneten Optimierungsverfahrens das Ausgangssignal der in Fig. 5 gezeichneten Switched-Capacitor-Schaltung, die eine Übertragungsfunk- tion aufweist, die proportional zum Quotienten (C3-Cr)/Cf ist, an die Füllstandskurve angepaßt bzw. mit der derselben gefittet werden. Die obere Grafik in Fig. 9 stellt dabei die Übertragungsfunktion und die angepaßte Funktion dar, während die untere Grafik stark hervorgehoben die relative Abweichung in Prozent zwischen der Füllstandskurve und der optimierten Sensorausgangskurve in Abhängigkeit vom relativen Druck auf dem Sensor darstellt. - 16 -
Fig. 10 zeigt eine optimierte Druck- oder Kraftsensorstruktur, mittels der die Ergebnisse von Fig. 9b realisiert wurden. Die in Fig. 9b im oberen Teil dargestellte Übertragungsfunktion wurde mittels einer kreisrunden Membran und einer kreisrunden Gegenstruktur 14 erreicht, wobei aus Übersichtlichkeitsgründen in Fig. 10 lediglich die Gegenstruktur schematisch dargestellt ist. In Fig. 10 sind die Elektrodenflächen der Kondensatoren Cs, CR und CF für die in Fig. 5 gezeigte Schaltung in einem Quadranten eingezeichnet. Die gesamte Sensorstruktur ergibt sich durch Spiegelung des beschrifteten Quadrants an der X-Achse und durch Spiegelung des resultierenden Halbkreises an der Y-Achse. In Fig. 10 ist ferner ein Elementarkondensator durch die erste und zweite Elektrodenfläche 18a und 18b angedeutet, dem eine entsprechende dritte Elektrodenfläche der Membran (nicht gezeigt) gegenüberliegt, um diesen Elementarkondensator zu bilden.
Die berechneten Flächen der Kapazitäten Cs, CR und CF werden durch Parallelschalten entsprechender Elementarkondensatoren 18 mittels einer in Fig. 3 dargestellten Mehrschichtstruktur 14a bis 14d aufgebaut bzw. zusammengesetzt. Es sei darauf hingewiesen, daß die in Fig. 10 gezeigte Elementarelek- trodenflächenaufteilung relativ fein ist und eine sehr feine Anpassung an eine gewünschte Kennlinie erlaubt. Für die in Fig. 10 gezeigte relativ grobe Elekrodenstruktur würde auch eine gröbere Elektrodenflächenaufteilung genügen. Die in Fig. 10 dargestellten Dimensionierungen ergeben sich folgendermaßen, wobei w für ein Kreissegment steht, während r für den relativen Radius, d. h. einen Radius bezogen auf den Gesamtradius R der Membran, steht. Im einzelnen ergaben sich folgende Größen: - 17 -
Tabelle
Stegbreite: 0,20 mm
rOa = 2,30 w® r la = 5,00 mΛ r2a ~ 8,°0 ∞" r3a = 9,09 mm r 0i = 0,73 mm r-j^ = 2,66 mm r2χ = 5,36 π*111 r 3i = 8,36 mm
wsO = °'°° wsl = 39,°° ws2 = 32,°° ws3 = 60,0° wfO = 9°,°° wfi = 51,0° wf2 = 0,0° wf3 = 0,0° wr0 = 0,0° wrl = 0,0° wr2 = 58,0° wr3 = 30,0°
Zusammenfassend läßt sich also feststellen, daß die Druckoder Kraftsensorstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere Vorteile aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen mit einer Membran und einer festen Gegenstruktur müssen die "aktiven" Elektroden nicht mehr galvanisch angeschlossen werden. Weiterhin erlaubt eine generelle Berechnungsmethode die Kennlinien-Transformation der Sensorstrukturen in weiten Grenzen zur Kombination von entsprechend geformten isolierten Elektrodenflächen, wobei für die beschriebene Auswerteschaltung vorzugsweise drei Kondensatorgruppen eingesetzt werden. Durch Aufbau der kapazitiven Sensoren im "Sandwich"-System kann auf flexible und günstige Art und Weise die entsprechende Serien- oder Parallelschaltung der einzelnen Kondensatoren einer Gruppe und auch die Gruppenzusammenfassung durchgeführt werden. Ein Abschirmgit- ter oder auch eine durchgehende Abschirmbeschichtung auf bzw. innerhalb der "Sandwich"-Strukturen ist sowohl in der Gegenstruktur als auch in der Membran möglich, um äußere Einflüsse zu mindern. Besonders in Verbindung mit einer "Switched-Capacitor"-Auswerteschaltung, die vorzugsweise direkt auf der Gegenstruktur vorgesehen ist, ist die "Ver- drahtungs"-Möglichkeit des Schichtaufbaus von besonderem Vorteil. Außerdem erlaubt die erfindungsgemäße Struktur auch die Verwendung von Glasmembranen, auf die lediglich die dritten Elektrodenflächen aufgedampft werden müssen, und bei denen keinerlei Verdrahtung der Membran notwendig ist. Die - 18 -
Elektrodenstrukturen lassen sich vorzugsweise mit wenigen Angaben, wie z. B. Länge, Breite, Abstand bzw. Winkel, Radius definieren.

Claims

- 19 -Patentansprüche
1. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) mit einer Membran (12) und einer Gegenstruktur (14) , wobei auf der Membran (12) und der Gegenstruktur (14) jeweils Elektroden (18a - 18c, 20a - 20c) zur Festlegung von Kondensatoren (18, 20) vorgesehen sind,
wobei zur Festlegung einer gewünschten Druck/Kapazitäts-Abhängigkeit bzw. Kraft/Kapazitäts-Abhängigkeit wenigstens zwei der Kondensatoren (18, 20) seriell oder parallel geschaltet sind.
2. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß Anspruch 1, bei der ein Kondensator (18, 20) durch zwei Elektrodenflächen (18a, 18b, 20a, 20b) auf entweder der Membran (12) oder der Gegenstruktur (14) und eine dritte Elektrodenfläche (18c, 20c) auf der Gegenstruktur (14) bzw. der Membran (12) gebildet ist, wobei die Kapazität des Kondensators durch eine Serienschaltung zweier Kapazitäten (Ca, Cj-, bzw. Cc, C(j) zwischen der ersten (18a, 20a) und der dritten (18c, 20c) sowie der zweiten (18b, 20b) und der dritten (20d) Elektrodenfläche gebildet ist.
3. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß Anspruch 2 , bei der die dritte Elektrodenfläche (18c, 20c) die erste und die zweite Elektrodenfläche (18a, 18b; 20a, 20b) im wesentlichen überlappt.
4. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der eine Vielzahl von Kondensatoren (18, 20) vorgesehen ist, derart, daß im wesentlichen der gesamte aktive Bereich der Membran (12) und der Gegenstruktur 14 durch viele erste und zweite bzw. durch dritte Elektrodenflächen (18a - 18c, 20a - 20c) bedeckt ist, wobei die einzelnen Elektrodenflächen voneinander isoliert sind. - 20 -
5. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der die ersten und die zweiten Elektrodenflächen (18a, 18b, 20a, 20b) Kreissegmentform haben.
6. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sowohl die Membran (12) als auch die Gegenstruktur (14) auslenkbar sind.
7. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Gegenstruktur (14) feststehend ist und allein die Membran (12) auslenkbar ist.
8. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß Anspruch 7, bei der die Serien- oder Parallelschaltung zweier Kondensatoren (18, 20) durch die Gegenstruktur (14) realisiert ist.
9. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß Anspruch 8, bei der die Gegenstruktur einen Mehrschichtaufbau (14a - 14d) aufweist, wobei Leiterbahnen und die Durchgangs- kontaktierungen von einzelnen Schichten des Mehrschichtaufbaus derart ausgeführt sind, daß eine Vielzahl von Kondensatoren (18, 20) zur Festlegung der gewünschten Druck/Kapazitäts- bzw. Kraft/Kapazitäts-Abhängigkeit parallel geschaltet ist.
10. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Membran (12) und/oder die Auflagestruktur (14) Sandwich-artig aufgebaut ist bzw. sind, und eine Abschirmeinrichtung (28) zur Abschirmung äußerer Einflüsse aufweist bzw. aufweisen.
11. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, bei der eine Auswerteschaltung (22) auf der von der Membran (12) weg gerichteten Seite der - 21 -
Gegenstruktur (14) angeordnet ist.
12. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, bei der eine Kondensatorgruppe (Cs) zur Signalerfassung, eine Kondensatorgruppe (Cf) zur Rückkoppelung und eine Kondensatorgruppe (Cr) zur Referenz vorgesehen sind.
13. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß Anspruch 12, bei der die Referenz-Kondensatorgruppe (Cr) in einem weniger stark auslenkbaren Bereich angeordnet ist, während sich die Rückkopplungs-Kondensatorgruppe (Cf) in einem stark auslenkbaren Bereich angeordnet ist.
14. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß Anspruch 13, bei der eine Auswerteschaltung (22) in Switched- Capacitor-Technik vorgesehen ist.
15. Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) gemäß Anspruch 14 in Rückbeziehung auf Anspruch 9, bei der sowohl die Membran (14) als auch die Auswerteschaltung (22) Appli- kations-unabhängig sind.
16. Druck- oder KraftsensorStruktur (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Membran (14) als Glasmembran ausgeführt ist.
17. Verfahren zum Herstellen einer Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) mit einer Membran (12) und einer Gegenstruktur (14) , wobei die Membran (12) und die Gegenstruktur (14) eine Vielzahl von einzelne Kondensatoren (18, 20) bildenden Elektrodenflächen (18a - 18c, 20a - 20c) aufweisen, mit folgenden Schritten:
Auswählen einer Druck/Kapazitäts- bzw. Kraft/Kapazitäts-Abhängigkeit;
Optimieren der Übertragungsfunktion einer zur rea- - 22 -
lisierenden Druck- oder Kraftsensorstruktur (10) , um eine simulierte Druck/Kapazitäts- bzw. Kraft/Kapazitäts-Abhängigkeit zu erhalten, die der ausgewählten Abhängigkeit zumindest nahekommt;
Erzeugen der im Schritt des Optimierens erhaltenen Übertragungsfunktion durch Parallel- und/oder Seriell-Schalten von zumindest zwei Kondensatoren (18, 20).
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Membran (12) und die Gegenstruktur (14) unverändert sind und der Schritt des Erzeugens durch einen Mehrschichtaufbau der Gegenstruktur bewirkt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Gegenstruktur (14) fest ist und die Mehrschichtstruktur (14a - 14d) aufweist, wobei auf der Seite der Mehrschichtstruktur, die der Membran zugewandt ist, eine Vielzahl von kreissegmentförmigen Elektrodenflächen angeordnet ist, wobei sich zwei kreissegmentförmige Elektrodenflachen (18a, 18b, 20a, 20b) der Gegenstruktur (14) und eine dritte Elektrodenfläche (18c, 20c) der Membran gegenüberliegen, um einen Kondensator (18, 20) zu bilden.
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