DE10046958A1 - Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Grösse - Google Patents
Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen GrösseInfo
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Abstract
Es wird ein kapazitiver Halbleiter-Beschleunigungssensor offenbart, der imstande ist, ein Selbstdiagnoseverfahren wirksam durchzuführen, ohne irgendwelche getrennte Elektroden zu Selbstdiagnosezwecken vorsehen zu müssen. Der Halbleiter-Beschleunigungssensor beinhaltet einen Trägerabschnitt, der auf ein Einwirken einer Beschleunigung auf ihn in einer Richtung in rechten Winkeln zu seiner Längsrichtung deformierbar ist, um dadurch eine Federfunktion hervorzubringen. Der Halbleiter-Beschleunigungssensor beinhaltet ebenso eine bewegliche Elektrode und feste Elektroden, welche integral mit dem Trägerabschnitt ausgebildet sind. Der Halbleiter-Beschleunigungssensor arbeitet derart, daß er die Beschleunigung erfaßt, während zwischen der beweglichen Elektrode und den festen Elektroden ein periodisch veränderliches Signal angelegt ist, um eine Ausgangsspannung abzuleiten, deren Potential mit einer Änderung einer differentiellen Kapazität von Kondensatoren zwischen den beiden Elektroden veränderbar ist. Hierbei werden selektiv ein Erfassungssignal zum Erfassen einer derartigen Beschleunigung und ein Selbstdiagnosesignal angelegt, während ein Erzeugen einer Quasi-Beschleunigung an der beweglichen Elektrode aufgrund eines Anlegens des Selbstdiagnosesignals zugelassen wird, wobei ein Verhältnis einer Frequenz des Selbstdiagnosesignals zu einer Resonanzfrequenz des Trägerabschnitts in seiner Deformationsrichtung derart eingestellt ist, daß die sich ergebende Resonanzverstärkung des ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zum
Erfassen einer physikalischen Größe und insbesondere eine
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe, wie
zum Beispiel einer Beschleunigung, einer Winkelgeschwin
digkeit, eines Drucks oder dergleichen.
Herkömmliche kapazitive Vorrichtungen zum Erfassen
einer physikalischen Größe des Typs, welcher Selbstdia
gnosefähigkeiten bietet, beinhalten einen kapazitiven Be
schleunigungssensor, welcher zum Beispiel in der Japani
schen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift Nr. 8-110355
offenbart ist. Der kapazitive Beschleunigungssensor, wie
er darin gelehrt wird, ist derart aufgebaut, daß er einen
Federabschnitt bzw. Trägerabschnitt, der auf ein Einwir
ken einer Beschleunigung als die zu erfassende physikali
sche Größe elastisch deformierbar ist, eine bewegliche
Elektrode, die integral mit diesem Federabschnitt ausge
bildet ist, und ein Paar von festen bzw. stationären
Elektroden beinhaltet, die derart angeordnet sind, daß
sie dieser beweglichen Elektrode gegenüberliegen, wobei
eine Kapazitätsdifferenz zwischen zwei kapazitiven Ele
menten, wie sie zwischen der beweglichen Elektrode und
den festen Elektroden ausgebildet sind, zum Messen eines
Ausgangssignals einer C/V-Wandlung unterzogen wird.
Der herkömmliche kapazitive Beschleunigungssensor be
inhaltet weiterhin eine zusätzliche getrennte Elektrode
zusätzlich zu den beweglichen und festen Elektroden.
Diese zusätzliche Elektrode dient zum Verwenden bei einem
Durchführen der beabsichtigen Selbstdiagnose und wird von
Fachleuten manchmal als "Selbstelektrode" bezeichnet. Ein
Anlegen einer bestimmten Spannung an diese Selbstelek
trode läßt ein Erzeugen einer elektrostatischen Kraft zu,
welche wiederum bewirkt, daß sich der Federabschnitt zum
Ausführen der erforderlichen Selbstdiagose deformiert
oder positionell versetzt.
Unglücklicherweise ist die herkömmliche kapazitive
Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen Größe mit
einem Problem hinsichtlich unerwünschten Erhöhungen einer
Gesamtabmessung der sich ergebenden Vorrichtungsstruktur
aufgrund eines zusätzlichen Vorsehens der getrennten
Selbstdiagnoseelektrode zum Bilden des Zustands eines
virtuellen Erzeugens der physikalischen Größe von Inte
resse behaftet.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf den bis
hier beschriebenen Stand der Technik geschaffen worden
und ihre Aufgabe besteht darin, eine neue und verbesserte
kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen
Größe zu schaffen, die imstande ist, das im Stand der
Technik gezeigte Problem zu vermeiden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfin
dung, eine kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer phy
sikalischen Größe zu schaffen, die imstande ist, wirksam
das beabsichtigte Selbstdiagnoseverfahren durchzuführen,
ohne zusätzlich irgendeine getrennte Elektrode zum aus
schließlichen Verwenden als eine Diagnoseelektrode vorse
hen zu müssen.
Um die vorhergehende Aufgabe zu lösen, wird gemäß ei
nem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine kapazi
tive Erfassungsvorrichtung geschaffen, die einen Federab
schnitt und eine bewegliche Elektrode und eine feste
Elektrode beinhaltet, die integral mit dem Federabschnitt
ausgebildet ist, und derart betreibbar ist, daß sie die
physikalische Größe von Interesse auf eine derartige
Weise erfaßt, daß ein periodisch veränderliches Signal
zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elek
trode angelegt wird und dann eine Ausgangsspannung abge
leitet wird, die potentialmäßig auf eine Weise entspre
chend einer Änderung eines Kapazitätswerts eines kapazi
tiven Elements veränderbar ist, wie es von der bewegli
chen Elektrode und der festen Elektrode ausgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Erfassungssignal zur Ver
wendung bei einem Erfassen der physikalischen Größe und
ein Selbstdiagnosesignal zur Verwendung bei einem Durch
führen einer Selbstdiagnose selektiv angelegt werden, um
dadurch ein Erzeugen einer quasi-physikalischen Größe an
der beweglichen Elektrode durch Deformation des Federab
schnitts auf ein Anlegen des Selbstdiagnosesignals zuzu
lassen, und daß das Verhältnis einer Frequenz des Selbst
diagnosesignals zu einer Resonanzfrequenz des Federab
schnitts in seiner Deformationsrichtung insbesondere der
art ausgelegt ist, daß die Resonanzverstärkung dieses Fe
derabschnitts auf ein Anlegen des Selbstdiagnosesignals
größer als einfach wird.
Als erstes läßt gemäß der vorliegenden Erfindung ein
periodisches Anlegen des Selbstdiagnosesignals zwischen
der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode wäh
rend einer Selbstdiagnose ein Erzeugen einer elektrosta
tischen Kraft zwischen der beweglichen Elektrode und der
festen Elektrode zu, was es wiederum ermöglicht, zuzulas
sen, daß sich sowohl der Federabschnitt als auch integral
damit die bewegliche Elektrode deformieren, was bewirkt,
daß die bewegliche Elektrode in den Zustand versetzt
wird, in welchem die physikalische Größe virtuell erzeugt
wird. In diesem Fall ist es möglich, die beabsichtigte
Selbstdiagnose durch ein Erfassen eines positionellen
Versatzes oder einer Deformation der beweglichen Elek
trode auf der Grundlage einer Ausgangsspannung einer C/V-
Wandlerschaltung durchzuführen.
Es ist anzumerken, daß in Fällen, in denen die Fre
quenz des Selbstdiagnosesignals wesentlich unterschied
lich zu der Resonanzfrequenz des Federabschnitts in sei
ner Deformationsrichtung ist, eine Bewegung des Federab
schnitts kaum der Frequenz des Selbstdiagnosesignals
nachfolgt. Anders ausgedrückt schwingt der Federabschnitt
nicht, was zu einem Bilden eines Zustands eines Anlegens
einer Gleichspannung führen könnte. Im Gegensatz dazu
zeigt der Federabschnitt eine Resonanz, wenn sich der
Wert der Frequenz des Selbstdiagnosesignals nahe der Re
sonanzfrequenz befindet, was es ermöglicht, zuzulassen,
daß sich der Federabschnitt mit einer größeren Amplitude
als in dem Fall einer gleichspannungsartigen Deformation
deformiert. Auf diese Weise ermöglicht es ein Anlegen des
Selbstdiagnosesignals zum Durchführen einer Schwingung
des Federabschnitts, die quasi-physikalische Größe zu er
höhen, die an der beweglichen Elektrode auftritt, was
wiederum ein Erzielen eines erforderlichen wirksamen
Selbstdiagnoseverfahrens zuläßt.
Es ist ebenso anzumerken, daß gemäß der vorliegenden
Erfindung das Verhältnis der Frequenz des Selbstdiagnose
signals zu der Resonanzfrequenz des Federabschnitts in
seiner Deformationsrichtung insbesondere derart ausgelegt
ist, daß die Resonanzverstärkung des Federabschnitts (das
heißt die, bei der ein Positionsversatz des Federab
schnitts und der beweglichen Elektrode auf ein Anlegen
einer Gleichspannung auf "1" normalisiert oder standardi
siert ist) gleich oder größer als einfach, vorzugsweise
1,1-fach, ist. Bei einer derartigen Anordnung ist es mög
lich, zuzulassen, daß der Federabschnitt auf ein Anlegen
des Selbstdiagnosesignals schwingt, was es wiederum er
möglicht, das beabsichtigte wirksame Selbstdiagnosever
fahren zu erzielen. Daher wird es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich, die kapazitive Vorrichtung zum Erfas
sen einer physikalischen Größe zu schaffen, die imstande
ist, wirksam eine Selbstdiagnose durchzuführen, ohne ein
zusätzliches Vorsehen irgendeiner getrennten Elektrode
zur ausschließlichen Verwendung bei dem Selbstdiagnosever
fahren zu erfordern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird in der Beziehung der Frequenz des Selbstdiagnosesig
nals zu der Resonanzfrequenz des Federabschnitts in sei
ner Deformationsrichtung das Selbstdiagnosesignal insbe
sondere derart ausgelegt, daß es gleich oder kleiner als
ein beschränkter Wert ist, der 1,41-mal (vorzugsweise 0,2-
bis 1,4-mal) größer als die Resonanzfrequenz des Federab
schnitts in seiner Deformationsrichtung ist. Bei einem
Festlegen einer derartigen Beziehung ist es möglich, den
Federabschnitt zu zwingen, auf ein Anlegen des Selbstdia
gnosesignals mit seiner Resonanzverstärkung von gleich
oder größer als einfach zu schwingen, was eine Erhöhung
eines Wirkungsgrads der Selbstdiagnose zuläßt. Aufgrund
dessen wird es möglich, die beabsichtigte kapazitive Vor
richtung zum Erfassen einer physikalischen Größe zu
schaffen, die imstande ist, wirksam eine Selbstdiagnose
durchzuführen, ohne irgendeine getrennte Elektrode zur
ausschließlichen Verwendung während eines Selbstdiagnose
verfahrens vorsehen zu müssen.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird in der Beziehung der Frequenz des Selbstdiagnosesig
nals zu der Resonanzfrequenz des Federabschnitts in sei
ner Deformationsrichtung das Verhältnis der Frequenz des
Selbstdiagnosesignals zu der Resonanzfrequenz des Feder
abschnitts in seiner Deformationsrichtung insbesondere
derart bestimmt, daß der Federabschnitt auf ein Anlegen
des Selbstdiagnosesignals an ihn zum Schwingen gebracht
wird. Dies ermöglicht es, zuzulassen, daß der Federab
schnitt mit der Resonanzverstärkung von gleich oder grö
ßer als einfach schwingt, wenn das Selbstdiagnosesignal
an ihn angelegt wird, was dazu führt, imstande zu sein,
die beabsichtigte kapazitive Vorrichtung zum Erfassen ei
ner physikalischen Größe zu schaffen, die imstande ist,
eine Selbstdiagnose wirksam durchzuführen, ohne ein zu
sätzliches Vorsehen irgendeiner getrennten Elektrode zu
erfordern, die der erforderlichen Selbstdiagnose dient.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung
wird eine kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer phy
sikalischen Größe geschaffen, welche derart aufgebaut
ist, daß sie die physikalische Größe von Interesse durch
Anlegen eines periodisch veränderlichen Signals zwi
schen einer beweglichen Elektrode und einer festen Elek
trode, welche integral mit einem Trägerabschnitt ausge
bildet sind und von denen jede eine trägerartige Form
aufweist, die sich in die gleichen Richtung wie der Trä
gerabschitt ausdehnt, und dann Ableiten einer Ausgangs
spannung, die sich potentialmäßig mit einer Änderung ei
nes Kapazitätswerts eines Kondensators, der aus der be
weglichen Elektrode und der festen Elektrode besteht, er
faßt, während selektiv ein Erfassungssignal zur Verwen
dung bei einem Erfassen der physikalischen Größe und ein
Selbstdiagnosesignal zum Bewirken einer Selbstdiagnose
angelegt wird, um dadurch ein Erzeugen einer quasi-physi
kalischen Größe an der beweglichen Elektrode durch eine
Deformation des Trägerabschnitts auf ein Anlegen des
Selbstdiagnosesignals an sie zuzulassen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung be
steht darin, daß eine Trägerbreite an der beweglichen
Elektrode in ihrer Deformationsrichtung im wesentlichen
die gleiche wie eine Trägerbreite an dem Trägerabschnitt
in seiner Deformationsrichtung ist, während gleichzeitig
bewirkt wird, daß eine Steifigkeit bzw. Steifheit an der
beweglichen Elektrode in ihrer Deformationsrichtung grö
ßer als eine Steifigkeit an dem Trägerabschnitt in seiner
Deformationsrichtung ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird es möglich, da
während der Selbstdiagnose das Selbstdiagnosesignal pe
riodisch zwischen der beweglichen Elektrode und der fe
sten Elektrode zum Erzeugen einer elektrostatischen Kraft
zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elek
trode angelegt wird, zu bewirken, daß sich der Trägerab
schnitt und damit integral die bewegliche Elektrode de
formieren oder positionell in einer bestimmten Richtung
in rechten Winkeln zu einer Längsrichtung des Trägerab
schnitts versetzen, was es wiederum ermöglicht, den Zu
stand zu bilden, in welchem die physikalische Größe vir
tuell an der beweglichen Elektrode erzeugt wird. In die
sem Fall ist es möglich, die Selbstdiagnose durch ein Er
fassen einer sich ergebenden Deformation der beweglichen
Elektrode auf der Grundlage einer Ausgangsspannung der
C/V-Wandlerschaltung durchzuführen.
Während dieser Selbstdiagnose würde ein Erhöhen der
Deformation der beweglichen Elektrode zu einem ähnlichen
Erhöhen der Änderung des Kapazitätswerts des Kondensators
führen, der aus der beweglichen Elektrode und der festen
Elektrode besteht, was es wiederum ermöglicht, die Aus
gangsspannung zu erhöhen, was eine wirksame Selbstdia
gnose zuläßt. Ein bevorzugter Lösungsweg um dies zu er
zielen, besteht darin, die bewegliche Elektrode durch
Verringern der Trägerbreite an der beweglichen Elektrode
in ihrer Deformationsrichtung leichter zu machen. Jedoch
kann ein übermäßiges Verringern der Trägerbreite dazu
führen, daß nicht nur der Trägerabschnitt, sondern ebenso
die bewegliche Elektrode an sich auf ein Einwirken der
physikalischen Größe gebogen und positionell versetzt
wird.
Obgleich es bei der kapazitiven Vorrichtung zum Er
fassen einer physikalischen Größe dieses Typs erforder
lich ist, daß die Deformation des Trägerabschnitts und
die der beweglichen Elektrode auf ein Einwirken der phy
sikalischen Größe zueinander integral und ebenso in der
gleichen Richtung sind, kann eine Ablenkung und ein posi
tioneller Versatz der beweglichen Elektrode an sich zu
einer unregelmäßigen Änderung des Abstands zwischen der
beweglichen Elektrode und der festen Elektrode führen,
was es häufig unmöglich macht, eine erwünschte Kapazi
tätsänderung zu erzielen.
Im Gegensatz dazu wird gemäß der vorliegenden Erfin
dung die Steifigkeit an der beweglichen Elektrode in ih
rer Deformationsrichtung größer als die Steifigkeit an
dem Trägerabschnitt in seiner Deformationsrichtung ge
macht, während sie gleichzeitig dünner gemacht wird, um
sicherzustellen, daß die Trägerbreite an der beweglichen
Elektrode in ihrer Deformationsrichtung im wesentlichen
die gleiche wie die Trägerbreite an dem Trägerabschnitt
in seiner Deformationsrichtung wird, was es wiederum er
möglicht, irgendeine unerwünschte Deformation der beweg
lichen Elektrode auf ein Einwirken der physikalischen
Größe zu verhindern, während gleichzeitig die bewegliche
Elektrode leichter gemacht wird.
Daher ist es gemäß der vorliegenden Erfindung mög
lich, die kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer phy
sikalischen Größe zu schaffen, die imstande ist, wirksam
eine Selbstdiagnose durchzuführen, ohne zusätzlich ir
gendeine getrennte Elektrode zur ausschließlichen Verwen
dung bei einem Ausführen der Selbstdiagnose vorsehen zu
müssen. Es ist anzumerken, daß die Trägerbreite an der
beweglichen Elektrode in ihrer Deformationsrichtung
(Breite der beweglichen Elektrode), welche im wesent
lichen die gleiche wie die Trägerbreite an dem Trägerab
schnitt in seiner Deformationsrichtung
(Trägerabschnittsbreite) ist, wie es zuvor erläutert wor
den ist, bei einer Umsetzung in die Praxis im Hinblick
auf das Vorhandensein möglicher Herstellungsfehler wäh
rend einer Herstellung der Vorrichtung derart ausgelegt
sein kann, daß die Breite der beweglichen Elektrode in
einen Bereich von 0,8- bis 1,2-mal der Trägerabschnitts
breite fällt.
Weiterhin wird es in dem Fall, in dem die feste Elek
trode in einer trägerartigen Form ausgebildet wird, die
sich weitestgehend parallel zu der beweglichen Elektrode
ausdehnt, während die bewegliche Elektrode der festen
Elektrode an einer Seitenfläche des Trägerabschnitts ge
genüberliegt, wenn die Trägerbreite einer derartigen fe
sten Elektrode in der Deformationsrichtung des Trägerab
schnitts im wesentlichen gleich der Trägerbreite an der
beweglichen Elektrode in ihrer Deformationsrichtung ge
macht wird, möglich, die Vorrichtungsabmessung in der De
formationsrichtung zu verringern oder zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand ei
nes Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beilie
gende Zeichnung näher beschrieben, in welcher gleiche
oder entsprechende Abschnitte mit den gleichen Bezugszei
chen versehen sind, um eine redundante Erläuterung zu
vermeiden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Draufsicht eines Halbleiter-Beschleuni
gungssensors gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er
findung;
Fig. 2 eine entlang einer Linie II-II genommene
bildliche Darstellung einer Querschnitts
ansicht des Sensors in Fig. 1;
Fig. 3 eine eine beispielhafte Schaltungsanord
nung des in Fig. 1 gezeigten Sensors zei
gende Darstellung;
Fig. 4 ein Wellenformdiagramm von einigen we
sentlichen elektrischen Signalen der
Schaltung in Fig. 3 während eines norma
len Betriebs;
Fig. 5 ein Wellenformdiagramm von einigen we
sentlichen elektrischen Signalen der
Schaltung in Fig. 3 während eines Selbst
diagnosebetriebs;
Fig. 6 eine bildliche Darstellung zum Erklären
eines Modells eines Schwingungssystems in
der Sensorstruktur in Fig. 1;
Fig. 7A und 7B Diagramme, von denen jedes eine zeitliche
Änderung der Deformation an einem beweg
lichen Teil der Sensorstruktur zeigt; und
Fig. 8 einen Graph einer Beziehung eines Ver
hältnisses einer Resonanzfrequenz fo des
Sensors zu einer Selbstdiagnosefrequenz
fs zu der Resonanzverstärkung eines Trä
gerabschnitts des Sensors zeigt.
Nachstehend erfolgt die Beschreibung eines Ausfüh
rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Das veranschaulichende Ausführungsbeispiel ist eines,
welches die vorliegende Erfindung an einem Halbleiter-Be
schleunigungssensor eines Typs mit einer differentiellen
Kapazität als die kapazitive Vorrichtung zum Erfassen ei
ner physikalischen Größe anwendet. Fig. 1 zeigt eine
obere Draufsicht des Halbleiter-Beschleunigungssensors
100 und Fig. 2 zeigt eine bildliche Darstellung einer
entlang einer Linie II-II in Fig. 1 genommenen Quer
schnittsansicht des Halbleiter-Beschleunigungssensors.
Dieser Halbleiter-Beschleunigungssensor 100 ist vorzugs
weise zur Verwendung als ein fahrzeugseitiger Beschleuni
gungssensor oder Kreiselsensor oder sonstiges zum be
trieblichen Steuern zum Beispiel eines Airbag, ABS, VSC
und anderen, anpaßbar.
Der Halbleiter-Beschleunigungssensor (hier im weite
ren Verlauf als "Sensor" bezeichnet) 100 wird durch be
kannte Mikro-Materialverarbeitungsverfahren hergestellt,
die an einem Halbleitersubstrat angewendet werden. Wie es
in Fig. 2 gezeigt ist, ist das in dem Sensor 100 verwen
dete Halbleitersubstrat ein rechteckiges SOI-Substrat 10,
welches ein erstes Siliziumsubstrat 11 zur Verwendung als
eine erste Halbleiterschicht und ein zweites Silizium
substrat 12 als eine zweite Halbleiterschicht mit einer
sich dazwischen befindenden isolierenden oder dielektri
schen Schicht, wie zum Beispiel einem Oxidfilm 13, bein
haltet.
Das zweite Siliziumsubstrat 12 ist derart, daß eine
Trägerstruktur einer Kammform durch Ausbilden von Vertie
fungen ausgebildet ist, wobei die Struktur einen bewegli
chen Abschnitt 20 und feste bzw. stationäre Abschnitte
30, 40 beinhaltet. Weiterhin ist ein ausgewählter Ab
schnitt des Oxidfilms 13, der den Ausbildungsbereichen
der Trägerstrukturkörper 20 bis 40 entspricht, durch Op
ferschicht-Ätzverfahren entfernt, um eine rechteckige
Öffnung 13a zu definieren.
Der bewegliche Abschnitt 20, der derart angeordnet
ist, daß er die Öffnung 13a kreuzt, ist derart angeord
net, daß ein rechteckiger Gewichtsabschnitt 21 integral
an beiden seiner Enden durch einen Trägerabschitt (einen
sogenannten Federabschnitt in der vorliegenden Erfindung)
22 mit Befestigungsabschnitten 23a und 23b gekoppelt ist,
wobei diese Befestigungsabschnitte 23a und 23b an Öff
nungskantenabschnitten der Öffnung 13a in dem Oxidfilm 13
befestigt sind und daher auf und über dem ersten Sili
ziumsubstrat 11 gehalten werden, das als ein Träger
substrat dient. Dies läßt zu, daß der Gewichtsabschnitt
21 und der Trägerabschnitt 22 der Öffnung 13a gegenüber
liegen.
Der Trägerabschnitt 22 zur Verwendung als eine Feder
einheit ist in einer rechteckigen Rahmenform ausgebildet,
wobei zwei Träger an seinen beiden Enden miteinander ver
bunden sind, und ist in einer Richtung in rechten Winkeln
zu einer Längsrichtung des Trägers deformierbar, um da
durch einer Federfunktion hervorzubringen. Genauer gesagt
läßt der Trägerabschnitt 22 zu, daß sich der Gewichtsab
schnitt 22 auf ein Einwirken einer Beschleunigung, die
eine Komponente entlang einer Richtung eines Pfeils "X"
in Fig. 1 beinhaltet, in der Richtung des Pfeils X defor
miert und positionell versetzt, während bewirkt wird, daß
er zu seinem ursprünglichen Zustand zurückkehrt, wenn
eine derartige Beschleunigung verschwindet. Daher ist der
bewegliche Abschnitt 20 über der Öffnung 13a in der De
formationsrichtung (Richtung des Pfeils X) des Trägerab
schnitts 22 in Übereinstimmung mit einer auf ihn einwir
kenden Beschleunigung deformierbar.
Außerdem weist der bewegliche Abschnitt 20 eine Mehr
zahl von beweglichen Elektroden 24 auf, die derart ausge
bildet sind, daß diese integral von beiden Seitenflächen
des Gewichtsabschnitts 21 in entgegengesetzte Richtungen
in einer bestimmten Richtung hervorstehen, die senkrecht
zu der Deformationsrichtung (Richtung des Pfeils X) des
Trägerabschnitts 22 verläuft. In Fig. 1 sind die beweg
lichen Elektroden 24 derart, daß drei Elektroden 24 auf
der rechten Seite des Gewichtsabschnitts 21 hervorstehen
und andere drei auf der linken Seite von diesem hervor
stehen, wobei jede bewegliche Elektrode 24 in einer trä
gerartigen Form mit einem rechtwinkligen Querschnitt aus
gebildet ist und der Öffnung 13a gegenüberliegt. Auf
diese Weise ist jede bewegliche Elektrode 24 integral mit
dem Trägerabschnitt 22 und dem Gewichtsabschnitt 21 aus
gebildet und ist zusammen mit dem Trägerabschnitt 22 und
dem Gewichtsabschnitt 21 in der Deformationsrichtung des
Trägerabschnitts 21 deformierbar.
Hierbei ist der veranschaulichende Sensor 100 einzig
artig derart angeordnet, daß eine Trägerbreite W1 an je
der beweglichen Elektrode 24 in ihrer Deformationsrich
tung (Richtung des Pfeils X in Fig. 1) im wesentlichen
die gleiche wie eine einzelne Trägerbreite W2 an dem
Trägerabschnitt 22 in seiner Deformationsrichtung
(Richtung des Pfeils X in Fig. 1) ist, während gleichzei
tig eine Steifigkeit oder Steifheit an der beweglichen
Elektrode 24 in ihrer Deformationsrichtung größer als
eine Steifigkeit an dem Trägerabschnitt 22 in seiner De
formationsrichtung gemacht wird. Bei diesem Sensor 100
kann auch dann, wenn diese Trägerbreiten W1, W2 in we
sentlichen zueinander gleich sind, der Trägerabschnitt 22
aufgrund der Tatsache, daß der Trägerabschnitt 22 die
rechteckige Form mit zwei Trägern, die an seinen beiden
Enden verbunden sind, wie es zuvor erläutert worden ist,
und zwei Deformationstotpunkte aufweist, eine erhöhte
Krümmbarkeit (d. h. einer verbesserte Steifigkeit) in der
Deformationsrichtung bieten, wenn er mit der beweglichen
Elektrode mit einem einzigen Deformationstotpunkt vergli
chen wird.
Die festen Abschnitte 30, 40 werden an einem bestimm
ten Paar von gegenüberliegenden Seiten dieser gegenüber
liegenden Seitenpaare an den Öffnungskanten der Öffnung
13a in dem Oxidfilm 13 gehalten, wobei an diesem Paar
keiner der Befestigungsabschnitte 23a, 23 gehalten wird.
Hierbei sind zwei feste Abschnitte 30, 40 derart vorgese
hen, daß der Gewichtsabschnitt 21 zwischen diesen ange
ordnet ist. Diese festen Abschnitte beinhalten den ersten
festen Abschnitt 30, der auf der linken Seite in Fig. 1
angeordnet ist, und den zweiten festen Abschnitt, der auf
der rechten Seite in Fig. 1 angeordnet ist, wobei diese
festen Abschnitte 30, 40 elektrisch voneinander unabhän
gig sind.
Jeweilige feste Abschnitte 30, 40 sind derart ange
ordnet, daß sie Leiterdrahtabschnitte 31 und 41, die an
den Öffnungskanten der Öffnung 13a in dem Oxidfilm 13 be
festigt sind und ebenso auf dem ersten Siliziumsubstrat
11 gehalten werden, und ebenso eine ausgewählte Anzahl
(in dem hierin gezeigten Beispiel drei) von festen Elek
troden 32 und eine bestimmte Anzahl (ebenso drei) von fe
sten Elektroden 42 aufweisen, welche in dem Zustand ge
genüberliegend angeordnet sind, in dem sie bei dem Vor
handensein eines Erfassungsabstands bezüglich einer Sei
tenfläche der beweglichen Elektrode 24 zueinander paral
lel sind. Zusätzlich sind die festen Elektroden 32 auf
der Seite des ersten festen Abschnitts 30 erste feste
Elektroden, während die festen Elektroden 42 auf der
Seite des zweiten festen Abschnitts 40 zweite feste Elek
troden sind. Jeweilige feste Elektroden 32, 42, die sich
im wesentlichen parallel zu der beweglichen Elektrode 24
ausdehnen, sind in einer trägerartigen Form mit einem
rechteckigen Querschnitt ausgebildet und befinden sich in
einem Zustand, in dem sie in einer offenseitigen oder
"überhängenden" Weise an jeweiligen Leiterdrahtabschnit
ten 31, 41 gehalten werden, um der Öffnung 13a gegenüber
zuliegen.
Weiterhin sind feste Elektrodenanschlüsse 31a, 41a
zum Verwenden bei einer Drahtkontaktierung an bestimmten
Positionen auf jeweiligen Leiterdrahtabschnitten 31, 41
der festen Elektroden 30 bzw. 40 angeordnet. Weiterhin
ist ein Leiterabschnitt 25 für die bewegliche Elektrode
24 in dem Zustand ausgebildet, daß er integral mit einem
Befestigungsabschnitt 23b ausgebildet ist, wobei ein
Drahtkontaktierungsanschluß 25a für die bewegliche Elek
trode 24 an einer bestimmten Position über diesem Leiter
abschnitt 25 ausgebildet ist. Die zuvor erwähnten jewei
ligen Elektrodenanschlüsse 25a, 31a, 41a bestehen zum
Beispiel aus Aluminium.
Weiterhin sind sowohl der Gewichtsabschnitt 21 und
die Befestigungsabschnitte 23a und 23b mit der bewegli
chen Elektrode 24 als auch jeweilige feste Elektroden 32,
42 mit einer Mehrzahl von rechteckigen Durchgangslöchern
50 versehen, die von der Seite der Öffnung 13a zu der ihr
gegenüberliegenden Seite dringen, wobei das Vorhandensein
dieser Durchgangslöcher 50 zu einem Ausbilden eines stei
fen Rahmens oder einer sogenannten "Rahmenstrukturform"
mit mehreren miteinander kombinierten rechteckigen rah
menartigen Abschnitten führt. Dadurch wird das Gewicht
des beweglichen Abschnitts 20 und jeweiliger fester Elek
troden 32, 42 verringert, während die Torsionsbeanspruch
barkeit von ihnen verbessert wird.
Weiterhin ist der gezeigte Sensor 100 mittels eines
Klebstoffs 60 auf einer hinteren Oberfläche (einer dem
Oxidfilm 13 gegenüberliegenden Oberfläche) des ersten Si
liziumsubstrats 11 an einem Gehäuse 70 befestigt und an
dieses geklebt. Dieses Gehäuse 70 enthält in sich eine
Schaltungseinrichtung 200 oder bringt diese unter. Wei
terhin ist diese Schaltungseinrichtung 200 über Leiter
drähte W1, W2, W3, welche aus Gold- oder Aluminiumkontak
tierungsdrähten ausgebildet sind, elektrisch mit den vor
geschriebenen jeweiligen Elektrodenanschlüssen 25a, 31a,
41a verbunden.
Bei der zuvor beschriebenen Anordnung sind, wie es
durch Kondensatorsymbole in Fig. 1 dargestellt ist, ein
erstes kapazitives Element CS1 an einem Erfassungsspalt
zwischen der ersten festen Elektrode 32 und der bewegli
chen Elektrode 24 und ein zweites kapazitives Element CS2
an einem Erfassungsspalt zwischen der zweiten festen
Elektrode 42 und der beweglichen Elektrode 24 ausgebil
det. Weiterhin verhält sich auf ein Einwirken einer Be
schleunigung der gesamte bewegliche Abschnitt 20 ausge
nommen der Befestigungsabschnitte 23a, 23b derart, daß er
sich aufgrund der Federfunktion des Trägerabschnitts 22
integral deformiert und positionell in die Richtung des
Pfeils X versetzt, was wiederum zuläßt, daß sich der Kapa
zitätswert der zuvor genannten jeweiligen Kondensatoren
CS1, CS2 in Übereinstimmung mit einer derartigen Deforma
tion der beweglichen Elektrode 24 ändert. Weiterhin ist
die Schaltungseinrichtung 200 derart betreibbar, daß sie
die Beschleunigung auf der Grundlage einer Änderung einer
differentiellen Kapazität (CS1-CS2) infolge der bewegli
chen Elektrode 24 und der festen Elektroden 32, 42 er
faßt.
Es ist anzumerken, daß die Schaltungseinrichtung 200,
die in dem veranschaulichenden Sensor 100 verwendet wird,
und die Erfassungsmethodik im wesentlichen auf der Grund
lage der Lehren beruhen, die in der PUJPA 11-108454 of
fenbart sind, die der Anmelderin der vorliegenden Erfin
dung übertragen worden ist und die hierin in ihrer Ge
samtheit durch Verweis enthalten ist. Hierbei werden
wichtige Merkmale des veranschaulichenden Ausführungsbei
spiels hauptsächlich nachstehend erläutert. Es wird auf
Fig. 3 verwiesen, welche eine Ausgestaltung der Schal
tungseinrichtung 200 darstellt, wie sie in der Sensorvor
richtung 100 vorgesehen ist.
Die Schaltungseinrichtung 200 beinhaltet eine C/V-
Wandlerschaltung (geschaltete Kondensatorschaltung) 210
und ein Schaltnetz 220. Die C/V-Wandlerschaltung 210 ist
eine, die aus einem Operationsverstärker 211 und einem
Kondensator 212 mit einem Schalter 213 ausgebildet ist,
und ist derart betreibbar, daß eine Änderung von Kapazi
tätswerten der Kondensatoren CS1, CS2, die aus der beweg
lichen Elektrode 24 und den festen Elektroden 32, 42 be
stehen, in eine entsprechende Ausgangsspannung gewandelt
wird.
Der Operationsverstärker 211 weist einen invertieren
den Eingangsanschluß auf, der über den Anschluß 25a für
die bewegliche Elektrode 24 mit der beweglichen Elektrode
verbunden ist, wobei der Kondensator 212 und der Schalter
213 zwischen dem invertierenden Eingangsanschluß und ei
nem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 211 paral
lel geschaltet sind. Der Operationsverstärker 211 weist
ebenso einen nichtinvertierenden Eingangsanschluß auf, in
welchen über das Schaltnetz 220 entweder eine Spannung
von V/2 oder eine Spannung von V1 eingegeben wird.
Das Schaltnetz 220 ist eines, das entweder die Span
nung V/2 oder die Spannung V1 (zu V/2 unterschiedlich)
aus jeweiligen nicht gezeigten Spannungsquellen in den
nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsver
stärkers 211 in der C/V-Wandlerschaltung eingibt, wobei
des Schaltnetz 220 aus einem Schalter 221 und einem
Schalter 222 aufgebaut ist. Der Schalter 221 und der
Schalter 222 sind derart, daß einer von ihnen leitend
bleibt, während der andere nichtleitend gemacht wird.
Die Schaltungseinrichtung 200 beinhaltet ebenso eine
nicht gezeigte Steuerschaltung. Die Steuerschaltung ist
derart betreibbar, daß sie eine Trägerwelle P1, die mit
einer konstanten Amplitude V periodisch veränderbar ist,
von dem Anschluß 31a für die feste Elektrode in die erste
feste Elektrode 32 eingibt, während sie eine Trägerwelle
P2 von dem Anschluß 41a für die feste Elektrode in die
zweite feste Elektrode 42 eingibt, wobei die Trägerwelle
P2 die gleiche Amplitude V wie die Trägerwelle P1 auf
weist und mit einer definierten Phasendifferenz von 180°
zwischen diesen genau außer Phase zu der Trägerwelle P1
ist. Diese Steuerschaltung ist ebenso derart aufgebaut,
daß Ein/Ausschaltbetätigungen der Schalter 213, 221 und
222 zu bestimmten Zeitpunkten gesteuert werden. In dem
veranschaulichen Ausführungsbeispiel bilden diese Steuer
schaltung und das Schaltnetz 220 eine Signalanlegeein
richtung der vorliegenden Erfindung aus, wie sie hierin
offenbart und beansprucht wird.
Eine Funktionsweise des derart aufgebauten Halblei
ter-Beschleunigungssensors 100 ist wie folgt. Zuerst wird
eine Erklärung eines Anlegens eines Beschleunigungs-Er
fassungssignals (normale Betriebsart) unter Bezugnahme
auf ein Signalwellenformdiagramm gegeben, das in Fig. 4
gezeigt ist. Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, ist die Trä
gerwelle P1 (zum Beispiel mit einer Amplitude von 0 bis
5 Volt bei einer Frequenz von 100 kHz), wie aus der als die
Signalanlegeeinrichtung dienenden Steuerschaltung ausge
geben wird, ein Rechteckwellensignal einer konstanten
Amplitude, wobei sich sein hoher Pegel und niedriger Pe
gel mit einer Zeitperiode ϕ1 als ein Zyklus (zum Beispiel
100 µs) ändert, wohingegen die Trägerwelle ϕ2 ein Recht
eckwellensignal ist, dessen Spannungspegel bezüglich der
Trägerwelle P1 invertiert sind.
Während des normalen Betriebs ist, wenn die Träger
wellen P1 und P2 an die festen Elektroden 32 bzw. 42 an
gelegt werden, das Schaltnetz 220 derart, daß der Schal
ter 221 eingeschaltet ist, wohingegen der Schalter 222
ausgeschaltet ist. Dadurch wird die Spannung V/2 an den
nichtinvertierenden Eingangsanschluß des Operationsver
stärkers 211 angelegt, während bewirkt wird, daß die kon
stante Spannung (Signal der beweglichen Elektrode 24)
V/2, zum Beispiel 2,5 V, an die bewegliche Elektrode 24
angelegt wird.
In diesem Zustand sind, wenn keine Beschleunigung
einwirkt, sowohl eine Potentialdifferenz zwischen der er
sten festen Elektrode 32 und der beweglichen Elektrode 24
als auch eine Potentialdifferenz zwischen der zweiten fe
sten Elektrode 42 und der beweglichen Elektrode 42 auf
V/2 festgelegt, was daher zuläßt, daß eine elektrostati
sche Kraft zwischen der ersten festen Elektrode 32 und
der beweglichen Elektrode 24 im wesentlichen zu einer
elektrostatischen Kraft zwischen der zweiten festen Elek
trode 42 und der beweglichen Elektrode 24 ausgeglichen
ist.
Es ist ebenso anzumerken, daß in der normalen Be
triebsart die C/V-Wandlerschaltung 210 derart ist, daß
der Schalter 213 angesteuert wird, um sich zu einem Zeit
punkt ein- und auszuschalten, der in Fig. 4 gezeigt ist.
Wenn dieser Schalter 213 eingeschaltet wird (Periode ϕ2),
wird der Kondensator 212 zurückgesetzt. Andererseits
wird, wenn der Schalter 213 ausgeschaltet wird, das beab
sichtigte Erfassen einer Beschleunigung durchgeführt. An
ders ausgedrückt ist ein verbleibender Abschnitt der Pe
riode ϕ1, der anders als die Periode ϕ2 ist, zum Verwen
den bei einem Erfassen der einwirkenden Beschleunigung.
Während dieser Erfassungsperiode ist eine Ausgangsspan
nung V0 der C/V-Wandlerschaltung 210 durch eine Gleichung
(1) gegeben, welche folgt:
V0 = (CS1 - CS2) × V'/Cf (1).
Hierbei ist V' eine Spannung zwischen den Anschlüssen
31a und 41a, das heißt die Spannung über den festen Elek
troden 32 und 42, und ist Cf die Kapazität des Kondensa
tors 212.
Auf ein Einwirken einer Beschleunigung verhält sich
das Gleichgewicht zwischen dem ersten Kondensator CS1 und
dem zweiten Kondensator CS2 derart, daß es sich ändert.
Diese Kapazitätsänderung führt zu einem Erzeugen einer
Spannung, die durch die Gleichung (1) definiert ist, in
Übereinstimmung mit einer Kapazitätsdifferenz (CS1-CS2),
welche als eine Vorspannung zu einer Ausgangsspan
nung V0 addiert wird, die bei einem Nichtvorhandensein
irgendeiner darauf einwirkenden Beschleunigung erzielbar
ist, und wird dann als eine geänderte Ausgangsspannung V0
(deren Potential zum Beispiel von 0 bis 5 Volt reicht)
abgeleitet. Danach wird dieses Ausgangssignal einer Sign
alverarbeitung bei einer (nicht gezeigten) Signalverar
beitungsschaltung unterzogen, die eine Verstärkerschal
tung und ein Tiefpaßfilter oder dergleichen beinhaltet,
und wird dann als ein Beschleunigungs-Erfassungssignal
erfaßt.
Als nächstes wird eine Erläuterung eines Selbstdia
gnosebetriebs des Halbleiter-Beschleunigungssensors 100
unter Bezugnahme auf ein Signalwellenformdiagramm gege
ben, das in Fig. 5 gezeigt ist. Wie es darin gezeigt ist,
werden die Trägerwellen P1 und P2, die Rechteckwellen
signale mit einer konstanten Amplitude V sind (die in dem
gezeigten Beispiel von 0 bis 5 Volt reicht), unter einem
Steuern der Steuerschaltung eingegeben, die als die
Signalanlegeeinrichtung dient. Es ist anzumerken, daß in
nerhalb einer Zeitperiode ϕ3 (zum Beispiel 100 µs) die
Trägerwellen P1 und P2 Konstantspannungssignale sind, de
ren Potentialpegel invertiert sind. Zum Beispiel ist die
Trägerwelle P1 auf 0 V festgelegt, wohingegen die Träger
welle P2 auf 5 V festgelegt ist.
Es ist ebenso anzumerken, daß in dieser Periode ϕ3
das Schaltnetz 220 derart ist, daß der Schalter 221 aus
geschaltet ist, wohingegen der Schalter 222 eingeschaltet
ist, wenn die Trägerwellen P1 und P2 an die festen Elek
troden 32 bzw. 42 angelegt werden. Aufgrund dessen wird
eine Spannung V1, die potentialmäßig von V/2 (zum Bei
spiel 3 V) unterschiedlich ist, an den nichtinvertieren
den Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 211 ange
legt, während zugelassen wird, daß diese Spannung V1 als
ein Signal für die bewegliche Elektrode an die bewegliche
Elektrode 24 angelegt wird.
Wenn die Spannung V1 an die bewegliche Elektrode 24
angelegt wird, wird das Gleichgewicht der elektrostati
schen Kraft während des normalen Betriebs zerstört, was
bewirkt, daß die bewegliche Elektrode 24 zu einer be
stimmten der festen Elektroden 32, 42 hingezogen wird,
deren Potentialdifferenz zwischen sich selbst und der be
weglichen Elektrode 24 derzeit größer als die andere ist.
In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel wird der Trägerab
schnitt 22 derart abgelenkt, daß er zu der ersten festen
Elektrode 32 hingezogen wird, während gleichzeitig zuge
lassen wird, daß sich die bewegliche Elektrode 24 auf
eine dazu integrale Weise virtuell deformiert. Auf diese
Weise ist die Periode ϕ3 die Periode, die ein Erzeugen
einer Quasi-Beschleunigung an der beweglichen Elektrode
24 zuläßt. Weiterhin wird der Schalter 213 der C/V-Wand
lerschaltung 220 innerhalb der Periode ϕ3 eingeschaltet,
so daß sich der Kondensator 212 in dem Rücksetzzustand
befindet.
Eine Zeitperiode ϕ4 (zum Beispiel 100 µs), die auf
die Periode ϕ3 folgt, dient zum Erfassen der Quasi-Be
schleunigung (physikalischen Größe), wie sie in ihrer un
mittelbar vorhergehenden Periode ϕ3 erzeugt wird, durch
Anlegen eines Signals, dessen Wellenform ähnlich zu der
während der in Fig. 4 gezeigten Periode ϕ1 ist, zwischen
der beweglichen Elektrode 24 und den festen Elektroden
32, 42. Genauer gesagt wird der Schalter 213 der C/V-
Wandlerschaltung 220 ausgeschaltet, um den Kondensator
212 auf den Zustand festzulegen, der imstande ist, eine
Beschleunigung zu erfassen, während daran die Trägerwel
len P1 und P2 angelegt werden, die ähnlich zu denjenigen
in der normalen Betriebsart sind. Weiterhin wird der
Schalter 221 in dem Schaltnetz 220 eingeschaltet, während
der Schalter 222 ausgeschaltet bleibt, um dadurch eine
Spannung V/2 (zum Beispiel 2,5 V) als ein Ansteuerelek
trodensignal an die bewegliche Elektrode 24 anzulegen.
In diesem Zustand versucht die bewegliche Elektrode
24, welche innerhalb der Periode ϕ4 zum Beispiel zu der
ersten festen Elektrode 32 hingezogen worden ist, nun, zu
ihrer ursprünglichen Position zurückzukehren, was zu ei
nem Erzeugen von Ladungsträgern an dem Kondensator 212
der C/V-Wandlerschaltung auf eine Weise entsprechend die
ser Kapazitätsänderung führt, um dadurch ein Erfassen der
Quasi-Beschleunigung zuzulassen, wie sie innerhalb dieser
Periode ϕ3 erzeugt wird. Die beabsichtigte Selbstdiagnose
ist daher durch Anlegen eines bestimmten Selbstdiagnose
signals (der Trägerwellen und des Signals für die
bewegliche Elektrode) zwischen der beweglichen Elektrode
24 und den festen Elektroden 32, 42 erzielbar, wobei eine
kombinierte Zeitperiode (ϕ3 + ϕ4) auf die zuvor beschrie
bene Weise ein Zyklus ist.
Es ist anzumerken, daß dieses Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung insbesondere derart aufgebaut ist,
daß ein Verhältnis der Frequenz des Selbstdiagnosesignals
(hier im weiteren Verlauf als eine
"Selbstdiagnosefrequenz" bezeichnet) zu der Resonanzfre
quenz des Trägerabschnitts 22 in der Deformationsrichtung
(hier im weiteren Verlauf als eine "Resonanzfrequenz der
Sensorvorrichtung" bezeichnet) derart festgelegt ist, daß
die Resonanzverstärkung eines derartigen Trägerabschnitts
22 auf ein Anlegen des Selbstdiagnosesignals gleich oder
größer als einfach, vorzugsweise 1,1-fach oder mehr, ist.
Diese Selbstdiagnosefrequenzeinstellung beruht auf be
stimmten Überlegungen, wie sie nachstehend beschrieben
werden.
Es wird auf Fig. 6 verwiesen. Die Darstellung zeigt
das Schwingungssystem des Halbleiter-Beschleunigungssen
sors 100 als ein verallgemeinertes Modell in einer kapa
zitiven Vorrichtung zum Erfassen einer physikalischen
Größe. Bei diesem Modell ist der eine Deformierbarkeit
aufweisende bewegliche Abschnitt (deformierbarer beweg
licher Abschnitt) ein bestimmter Teil des beweglichen Ab
schnitts 20 ausgenommen der Befestigungsabschnitte 23a,
23b, das heißt der Gewichtsabschnitt 21, der Trägerab
schnitt 22 und die bewegliche Elektrode 24. Wenn die
Masse dieses deformierbaren beweglichen Abschnitts (Masse
des beweglichen Abschnitts) "m" ist und sein positionel
ler Versatz oder seine Deformation "x" ist, ist die
Schwingungsgleichung durch eine Gleichung (2) gegeben,
welche folgt:
m × (d2x/dt2) + C × (dx/dt) + K × x = Fa + Fe (2).
In der vorhergehenden Gleichung ist m die Masse des
beweglichen Abschnitts, ist C der Dämpfungskoeffizient
des deformierbaren beweglichen Abschnitts, ist K die Fe
derkonstante in der Erfassungsachsenrichtung
(Deformationsrichtung) des Trägerabschnitts 22, ist Fa
eine extern eingegebene Beschleunigung und ist Fe die
elektrostatische Kraft zwischen der beweglichen Elektrode
24 und den festen Elektroden 32, 42. Obgleich Fa während
eines normalen Betriebs eine extern einwirkende Beschleu
nigung wird, befindet sich Fa während der Selbstdiagnose
auf null. Zu diesem Zeitpunkt ist die sich ergebende De
formation oder der sich ergebende Versatz x des defor
mierbaren beweglichen Abschnitts durch die zuvor angege
bene Schwingungsgleichung definierbar.
Die Fig. 7A und 7B zeigen Diagramme zum Erläutern
einer zeitlichen Änderung "t" des Versatzes x des defor
mierbaren beweglichen Abschnitts, wobei Fig. 7A den Zu
stand zeigt, in dem eine Frequenzdifferenz zwischen der
Selbstdiagnosefrequenz und der Resonanzfrequenz der Sen
sorvorrichtung groß ist, wohingegen Fig. 7B den Fall
zeigt, in dem eine derartige Frequenzdifferenz klein
bleibt. In dem Fall, in dem die Resonanzfrequenz der Sen
sorvorrichtung und die Selbstdiagnosefrequenz stark zu
einander unterschiedlich sind, ist es schwer zu erzielen,
daß die Bewegung des Trägerabschnitts 22 bezüglich der
Selbstdiagnosefrequenz nachfolgt. Genauer gesagt bringt
der Trägerabschnitt 22, wie es in Fig. 7A gezeigt ist,
keine Schwingung hervor, was zu einem Bilden eines
gleichspannungsartigen Deformationszustands mit einer
Gleichspannung führt, die virtuell daran angelegt ist.
Zum Beispiel kann bei dem veranschaulichenden Sensor 100
dieser Zustand erzielt werden, wenn die Resonanzfrequenz
der Sensorvorrichtung auf ungefähr 7 kHz festgelegt ist,
wobei die Selbstdiagnosefrequenz auf ungefähr zweimal
größer (von 12 bis 13 kHz reichend) als die Erstere fest
gelegt ist.
Im Gegensatz dazu verhält sich der Trägerabschnitt
22, wenn sich der Wert der Resonanzfrequenz der Sensor
vorrichtung nahe der Selbstdiagnosefrequenz befindet,
derart, daß er mit seiner Selbstdiagnosefrequenz
schwingt, wie es in Fig. 7B gezeigt ist, wodurch zugelas
sen wird, daß der sich ergebende Deformationsbetrag M,
das heißt ein positioneller Versatz des deformierbaren
beweglichen Abschnitts, verglichen mit der gleichspan
nungsartigen Deformation größer wird. Kurz gesagt ermög
licht es ein bestimmtes Einstellen der Selbstdiagnosefre
quenz, um zuzulassen, daß der Trägerabschnitt 22 auf ein
Anlegen eines zweckmäßigen Selbstdiagnosesignals
schwingt, zuzulassen, daß auf ein Anlegen eines derarti
gen Selbstdiagnosesignals der Trägerabschnitt 22 eine
Schwingung hervorbringt, deren Resonanzverstärkung gleich
oder größer als einfach ist, was wiederum eine ähnliche
Erhöhung der zuvor angegebenen Kapazitätsänderung (CS1-CS2),
das heißt eines Ausgangssignals des Sensors 100,
zuläßt. Es ist anzumerken, daß die hierin verwendete Re
sonanzverstärkung derart zu verstehen ist, daß sie eine
Verstärkung des Deformationsbetrags M bezüglich der De
formation des Trägerabschnitts 22 meint, die auf ein An
legen einer Gleichspannung erzielbar ist (das heißt einen
positionellen Versatz des deformierbaren beweglichen Ab
schnitts), wobei diese Deformation auf "1" normalisiert
ist.
Weiterhin kann die Selbstdiagnosefrequenz zum Bewir
ken, daß der Trägerabschnitt 22 während der Selbstdia
gnose mit gleich oder mehr als einmal der Resonanzver
stärkung schwingt, durch Berechnen unter Verwendung der
folgenden Gleichung (3) definiert werden, die sich auf den
zuvor erwähnten Deformationsbetrag bezieht. Weiterhin ist
die Selbstdiagnosefrequenz mit "fs" bezeichnet und ist
die Resonanzfrequenz da Sensorvorrichtung mit "fo" be
zeichnet.
M = 1/{1 - λ2)2 + (2τλ)2}1/2 (3).
Hierbei ist τ C/{2 × {mk)1/2}, wobei λ fs/fo ist. Die
berechnete Resonanzverstärkung des Trägerabschnitts 22
ist in Fig. 8 gezeigt, welche durch Berechnen des Defor
mationsbetrags M erzielt worden ist, während das Verhält
nis der Resonanzfrequenz fo der Sensorvorrichtung zu der
Selbstdiagnosefrequenz fs geändert wird.
Es ist aus Fig. 8 ersichtlich, daß ein bestimmter Be
reich des Verhältnisses fo/fs zum Zulassen vorhanden ist,
daß der Trägerabschnitt 22 (das heißt der deformierbare
bewegliche Abschnitt) mit der Resonanzverstärkung
schwingt, die gleich oder größer als einfach ist. Um die
Resonanzverstärkung auf gleich oder größer als einfach
festzulegen, sollte es erforderlich sein, daß die Selbst
diagnosefrequenz fs gleich oder kleiner als ein bestimm
ter Wert ist, der 1,41-mal größer als die Resonanzfre
quenz fo der Sensorvorrichtung ist. Weiterhin ist es be
vorzugt, daß die Resonanzverstärkung gleich oder größer
als 1,1-mal ist, um die beabsichtigte Selbstdiagnose
wirksamer durchzuführen. Zu diesem Zweck ist es erforder
lich, daß die Selbstdiagnosefrequenz innerhalb eines Be
reichs von 0,2- bis 1,4-mal größer als die Resonanzfre
quenz der Sensorvorrichtung fällt. Die vorhergehende Er
läuterung hat den Grund eines Einstellens zum Normalisie
ren der Selbstdiagnosefrequenz klargestellt.
Es ist erläutert worden, daß es gemäß dem veranschau
lichenden Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
durch Erzeugen einer zweckmäßigen elektrostatischen
Kraft zwischen der beweglichen Elektrode 24 und den fe
sten Elektroden 32, 42 möglich wird, da das Selbstdiagno
sesignal während eines Selbstdiagnosebetriebs periodisch
zwischen der beweglichen Elektrode 24 und den festen
Elektroden 32, 42 angelegt wird, den Zustand zu erzielen,
in welchem die Beschleunigung (physikalische Größe) von
Interesse virtuell auf die bewegliche Elektrode 24 ein
wirkt. Weiterhin ist es möglich, die beabsichtigte
Selbstdiagnose durch Erfassen einer Deformation oder ei
nes positionellen Versatzes der beweglichen Elektrode 24
auf der Grundlage eines Ausgangsspannung V0 der C/V-Wand
lerschaltung 220 durchzuführen.
Weiterhin ist dieses Ausführungsbeispiel der vorlie
genden Erfindung insbesondere derart aufgebaut, daß das
Verhältnis der Selbstdiagnosefrequenz fs zu der Resonanz
frequenz fo der Sensorvorrichtung derart festgelegt ist,
daß die Resonanzverstärkung des Trägerabschnitts 22
gleich oder größer als einfach (vorzugsweise 1,1-fach)
wird. Bei einer derartigen Anordnung ist es möglich, zu
zulassen, daß der Trägerabschnitt 22 auf ein Anlegen des
Selbstdiagnosesignals an seiner Selbstdiagnosefrequenz
schwingt, was es wiederum ermöglicht, die quasi-physika
lische Größe zu erhöhen, die an der beweglichen Elektrode
24 erzeugt wird, wodurch zugelassen wird, daß die Selbst
diagnose wirksam durchgeführt wird.
Daher ist es gemäß dem hierin erläuterten Ausfüh
rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich, die ka
pazitive Vorrichtung 100 zum Erfassen einer physikali
schen Größe zu schaffen, die imstande ist, die Abmessung
(Chipgröße) von ihr zu verringern oder zu verkleinern,
ohne irgendeine zusätzliche Elektrode einer getrennten
Komponente zur ausschließlichen Verwendung bei einem
Selbstdiagnoseverfahren verwenden zu müssen, und ebenso
imstande ist, die Selbstdiagnose wirksam durchzuführen.
Weiterhin ist es durch eine derartige Selbstdiagnose auf
grund der Tatsache, daß die Ausgangsspannung V0 in Fällen
unverändert belassen wird, in denen die Kapazität auf
grund eines Anhaftens von Verunreinigungen zwischen der
beweglichen Elektrode 24 und den festen Elektroden 32, 42
unverändert bleibt, möglich, einen Betriebsausfall oder
ein Fehlverhalten zu erfassen. Weiterhin ist es auch
dann, wenn die Empfindlichkeit aufgrund einer zeitlichen
Änderung verändert wird, möglich, eine derartige Empfind
lichkeitsänderung auf der Grundlage eines Änderungsbe
trags der Ausgangsspannung zu erfassen.
Es ist anzumerken, daß, obgleich in dem vorhergehen
den Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die
bewegliche Elektrode 24 gezwungen wird, sich virtuell zu
deformieren, während die Spannung, die an die bewegliche
Elektrode 24 anzulegen ist, zwischen der normalen Be
triebsart und der Selbstdiagnosebetriebsart geändert
wird, das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
derart abgeändert werden kann, daß die Selbstdiagnose
durch potentialmäßiges Ändern der Trägerwellen P1, P2
durchgeführt wird, die für eine virtuelle Deformation der
beweglichen Elektrode 24 an die festen Elektroden 32, 42
angelegt werden.
Ebenso kann der Federabschnitt nicht ausschließlich
in einer trägerartigen Form ausgebildet sein, wie es zu
vor erwähnt worden ist, sondern kann alternativ derart
aufgebaut sein, daß er irgendwelche andere Formen auf
weist, solange diese ähnliche Federfunktionen wie die des
Trägerabschnitts 22 bieten. Es ist ebenso anzumerken, daß
die vorliegende Erfindung nicht nur auf den veranschauli
chenden Halbleiter-Beschleunigungssensor 100 beschränkt
ist, sondern ebenso an irgendwelchen anderen Vorrichtun
gen zum Erfassen einer physikalischen Größe eines kapazi
tiven Typs anwendbar ist, die Drucksensoren und
Giergeschwindigkeitssensoren beinhalten, aber nicht auf
diese beschränkt sind.
Im übrigen würde in dem Fall dieser Selbstdiagnose
ein Erhöhen der Deformation der beweglichen Elektrode 24
zu einem ähnlichen Erhöhen der Änderung der Kapazitäts
werte der Kondensatoren CS1, CS2 führen, die aus der
beweglichen Elektrode 24 und den festen Elektroden 32, 42
bestehen, was es wiederum ermöglicht, die Ausgangsspan
nung V0 zu erhöhen, was daher ein wirksames Ausführen der
erforderlichen Selbstdiagnose zuläßt. Ein Lösungsansatz,
um dies zu erzielen, besteht darin, den beweglichen Ab
schnitt 20 leichter zu machen. Um den beweglichen Ab
schnitt 20 leichter zu machen, ist es erforderlich, daß
das Gewicht des Gewichtsabschnitts 21 unter Verwendung
der zuvor erwähnten Rahmenstruktur oder anderen ähnlichen
geeigneten Strukturen minimiert wird, während gleichzei
tig das Gewicht der beweglichen Elektrode 24 verringert
wird.
Es ist in Erwägung gezogen worden, daß eine Gewichts
verringerung der beweglichen Elektrode 24 durch ein Ver
ringern der Gesamtlänge des Trägerabschnitts 22 erzielbar
ist. Jedoch kann sich in diesem Fall ihre gegenüberlie
gende Fläche (Elektrodenfläche) bezüglich den festen
Elektroden 32, 42 verringern, was zu einer unerwünschten
Verringerung der Kapazitätswerte CS1, CS2 für eine Erfas
sung führt. Im Hinblick darauf ist es entschieden worden,
die Gewichtsverringerung der beweglichen Elektrode 24
durch Verschmälern der Trägerbreite W1 (hier im weiteren
Verlauf als Breite W1 der beweglichen Elektrode 24 be
zeichnet) an der beweglichen Elektrode 24 in ihrer Defor
mationsrichtung zu verwirklichen.
Jedoch kann eine übermäßige Verringerung dieser
Breite W1 der beweglichen Elektrode 24 dazu führen, daß
nicht nur der Trägerabschnitt 22, sondern ebenso die be
wegliche Elektrode 24 an sich abgelenkt und demgemäß de
formiert wird. Obgleich es bei dem Beschleunigungssensor
100 dieses Typs erforderlich ist, daß die Deformation des
Trägerabschnitts 22 und die Deformation der beweglichen
Elektrode 24 in der gleichen Richtung auf ein Einwirken
einer Beschleunigung zueinander integral sind, wird, wenn
die bewegliche Elektrode 24 selbst deformiert und posi
tionell versetzt wird, eine Änderung des Erfassungsab
stands zwischen der beweglichen Elektrode 24 und den fe
sten Elektroden 32, 42 unregelmäßig, was es wiederum un
möglich oder mindestens ziemlich schwierig macht, eine
erwünschte Kapazitätsänderung zu erzielen.
In dieser Hinsicht ist der hierin erläuterte Sensor
100 insbesondere derart aufgebaut, daß er seine einzigar
tige Anordnung aufweist, das heißt das Verschmälern wird
durchgeführt, um die Breite W1 der beweglichen Elektrode
24 im wesentlichen zu der gleichen Breite wie die der
Trägerbreite W2 (hier im weiteren Verlauf als Trägerab
schnittsbreite W2 bezeichnet) eines einzelnen an dem Trä
gerabschnitt 22 in ihrer Deformationsrichtung (Richtung
des Pfeils x in Fig. 1) zu machen, während sichergestellt
wird, daß die Steifigkeit bzw. Steifheit an der bewegli
chen Elektrode 24 in ihrer Deformationsrichtung größer
als die Steifigkeit an dem Trägerabschnitt 22 in seiner
Deformationsrichtung ist. Bei einer derartigen Anordnung
ist es möglich, ein Ablenken oder Verkrümmen der bewegli
chen Elektrode 24 auf ein Einwirken einer Beschleunigung
zu verhindern, während die bewegliche Elektrode 24 leich
ter gemacht wird, was es wiederum ermöglicht, eine Quasi-
Deformation der beweglichen Elektrode 24 zu erhöhen, um
dadurch ein Erzielen eines wirksamen Selbstdiagnosever
fahrens zuzulassen.
Es ist anzumerken, daß das Einstellen für einen we
sentlichen Abgleich der Breite W1 der beweglichen Elek
trode 24 und der Trägerbreite W2 zulassen kann, daß die
Breite W1 der beweglichen Elektrode 24 im Hinblick auf
das Vorhandensein irgendwelcher möglichen Verarbei
tungs-/Herstellungsfehler bei der Herstellung des Sensors
100 unter Verwendung derzeit gängiger Mikro-Materialver
arbeitungsverfahren in der Größenordnung von Mikrometern
(einschließlich Ätzen usw.) innerhalb eines Bereichs von
0,8- bis 1,2-mal der Trägerbreite W2 fällt.
Daher ist es gemäß dem hierin erläuterten Ausfüh
rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung möglich, eine
kapazitive Vorrichtung 100 zum Erfassen einer physikali
schen Größe zu schaffen, die imstande ist, die Abmessung
(Chipgröße) davon zu verringern oder zu verkleinern, ohne
eine zusätzliche Elektrode einer getrennten Komponente
zur ausschließlichen Verwendung bei einem Selbstdiagnose
verfahren verwenden zu müssen, und ebenso imstande ist,
die Selbstdiagnose wirksam durchzuführen. Weiterhin ist
es durch eine derartige Selbstdiagnose aufgrund der Tat
sache, daß die Ausgangsspannung V0 in Fällen unverändert
bleibt, in denen die Kapazität aufgrund eines Anhaftens
von Verunreinigungen zwischen der beweglichen Elektrode
24 und den festen Elektroden 32, 42 unverändert bleibt,
möglich, einen Betriebsausfall oder ein Fehlverhalten zu
erfassen. Weiterhin ist es auch dann, wenn die Empfind
lichkeit aufgrund einer zeitlichen Änderung verändert
wird, möglich, eine derartige Empfindlichkeitsänderung
auf der Grundlage eines Änderungsbetrags der Ausgangs
spannung zu erfassen.
Weiterhin kann, wenn die bewegliche Elektrode 24 wie
in diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
leichter gemacht wird, die sich ergebende Empfindlichkeit
in der normalen Betriebsart unter bestimmten Umständen
verringert werden. Glücklicherweise ist dieses Risiko un
ter Verwendung eines bestimmten Gedankengangs vermeidbar,
welcher folgt. Bei diesem Halbleiter-Beschleunigungssen
sor 100 sind die Empfindlichkeit ΔC und das Selbstdiagno
seausgangssignal J als der folgende Satz von Gleichungen
(4) gegeben:
ΔC = 2 × C0 × m × g/(d × K)
J = ε × S × D × V2/(2 × m × d2) (4).
Hierbei ist Co der Anfangskapazitätswert ( = ε × S/d
in der Einheit F), wenn die Beschleunigung von Interesse
null ist, ist m die Masse (in der Einheit kg) des beweg
lichen Abschnitts 24, ist d der Abstand (in der Einheit
m) zwischen der beweglichen Elektrode 24 und den festen
Elektroden 32, 42, ist K die Federkonstante (N/m), ist S
die Elektrodenfläche (Fläche des Teils, der der bewegli
chen Elektrode 24 und den festen Elektroden 32, 42 gegen
überliegt, in der Einheit m2), ist D das Taktverhältnis
während der Selbstdiagnose und ist V (in der Einheit V)
eine Spannung während der Selbstdiagnose.
Daher kann ein Verringern der Masse zum Erhöhen des
Selbstdiagnoseausgangssignals J hinsichtlich der Tat
sache, daß die Empfindlichkeit ΔC zu der Masse m propor
tional ist, zu einer Verringerung der Empfindlichkeit ΔC
führen. Jedoch ist es, wenn Gleichung (4) betrachtet
wird, bestätigt worden, daß der Ausdruck "K" vorhanden
ist, welcher die Empfindlichkeit ΔC, jedoch nicht das
Selbstdiagnoseausgangssignal J beeinträchtigt. Kurz ge
sagt kann jede unerwünschte Empfindlichkeitsverringerung
durch zweckmäßiges Einstellen des Werts der Federkon
stante K verhindert werden. Weiterhin verändert sich im
Hinblick auf die Tatsache, daß die Resonanzfrequenz ω0
eines schwingenden Körpers als ω0 = (K/m)1/2 gegeben ist,
auch dann, wenn die Masse m der beweglichen Elektrode 24
zum Beispiel auf die Hälfte verringert wird, weder der
Wert der Empfindlichkeit noch derjenige der Resonanzfre
quenz, solange die Federkonstante des Trägerabschnitts 22
auf die Hälfte verringert wird. Daher kann die beabsich
tigte Sensorcharakteristik während normalen Betrieben
beibehalten werden. Genauer gesagt kann bei dem Sensor
100 die Federkonstante des Trägerabschnitts 22 durch Er
höhen der Länge des Trägerabschnitts 22 verringert wer
den.
Es ist anzumerken, daß in dem Fall, in dem die festen
Elektroden 32, 42 die trägerartige Form aufweisen, die
sich im wesentlichen parallel zu der beweglichen Elek
trode 24 ausdehnt, während die bewegliche Elektrode 24
und die festen Elektroden 32, 42 auf Seitenflächen des
Trägers wie in dem veranschaulichen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung einander gegenüberliegen, die
Trägerbreiten der festen Elektroden 32, 42 in der Defor
mationsrichtung (Richtung des Pfeils X in Fig. 1) des
Trägerabschnitts 22 derart aufgebaut sein könne, daß sie
im wesentlichen die gleiche Breite wie die Breite W1 der
beweglichen Elektrode 24 aufweisen. Dies ermöglicht es,
die Abmessung der Vorrichtung in der Deformationsrichtung
(Richtung des Pfeils X in Fig. 1) zu verringern.
Ein zuvor beschriebener erfindungsgemäßer kapazitiver
Halbleiter-Beschleunigungssensor ist imstande, ein
Selbstdiagnoseverfahren wirksam durchzuführen, ohne ir
gendwelche getrennte Elektroden zu Selbstdiagnosezwecken
vorsehen zu müssen. Der Halbleiter-Beschleunigungssensor
beinhaltet einen Trägerabschnitt, der auf ein Einwirken
einer Beschleunigung auf ihn in einer Richtung in rechten
Winkeln zu seiner Längsrichtung deformierbar ist, um da
durch eine Federfunktion hervorzubringen. Der Halbleiter-
Beschleunigungssensor beinhaltet ebenso eine bewegliche
Elektrode und feste Elektroden, welche integral mit dem
Trägerabschnitt ausgebildet sind. Der Halbleiter-Be
schleunigungssensor arbeitet derart, daß er die Beschleu
nigung erfaßt, während zwischen der beweglichen Elektrode
und den festen Elektroden ein periodisch veränderliches
Signal angelegt ist, um eine Ausgangsspannung abzuleiten,
deren Potential mit einer Änderung einer differentiellen
Kapazität von Kondensatoren zwischen den beiden Elektro
den veränderbar ist. Hierbei werden selektiv ein Erfas
sungssignal zum Erfassen einer derartigen Beschleunigung
und ein Selbstdiagnosesignal angelegt, während ein Erzeu
gen einer Quasi-Beschleunigung an der beweglichen Elek
trode aufgrund eines Anlegens des Selbstdiagnosesignals
zugelassen wird, wobei ein Verhältnis einer Frequenz des
Selbstdiagnosesignals zu einer Resonanzfrequenz des Trä
gerabschnitts in seiner Deformationsrichtung derart ein
gestellt ist, daß die sich ergebende Resonanzverstärkung
des Trägerabschnitts auf ein Anlegen des Selbstdiagnose
signals gleich oder größer als einfach ist.
Claims (8)
1. Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikali
schen Größe, die aufweist:
einen Federabschnitt (22), der auf ein Einwirken ei ner physikalischen Größe in einer bestimmten Richtung deformierbar ist, um dadurch eine Federfunktion auf zuweisen;
eine bewegliche Elektrode (24), die integral mit dem Federabschnitt (22) ausgebildet ist und zusammen mit dem Federabschnitt (22) in einer Deformationsrichtung des Federabschnitts (22) deformierbar ist;
eine feste Elektrode (32, 42), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegend angeordnet ist;
eine mit der beweglichen Elektrode (24) und der fe sten Elektrode (32, 42) verbundene Signalanlegeein richtung (220) zum selektiven Anlegen irgendwelcher periodisch veränderlichen Signale, die ein Erfas sungssignal zum Erfassen der physikalischen Größe und ein Selbstdiagnosesignal zur Verwendung bei einem Durchführen einer Selbstdiagnose beinhalten, zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elek trode (32, 42); und
eine C/V-Wandlerschaltung (210) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung entsprechend einer Änderung eines kapazitiven Elements, das zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elektrode (32, 42) de finiert ist, wobei
eine Kapazität des kapazitiven Elements während eines Anlegens des Erfassungssignals veränderlich ist, um dadurch ein Erfassen der physikalischen Größe zuzu lassen,
der Federabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbst diagnosesignals deformierbar ist, um ein Erzeugen ei ner quasi-physikalischen Größe an der beweglichen Elektrode (24) zuzulassen, und
ein Verhältnis einer Frequenz des Selbstdiagnosesig nals zu einer Resonanzfrequenz des Federabschnitts (22) in seiner Deformationsrichtung derart einge stellt ist, daß eine Resonanzverstärkung des Federab schnitts (22) auf ein Anlegen des Selbstdiagnosesig nals gleich oder größer als einfach ist.
einen Federabschnitt (22), der auf ein Einwirken ei ner physikalischen Größe in einer bestimmten Richtung deformierbar ist, um dadurch eine Federfunktion auf zuweisen;
eine bewegliche Elektrode (24), die integral mit dem Federabschnitt (22) ausgebildet ist und zusammen mit dem Federabschnitt (22) in einer Deformationsrichtung des Federabschnitts (22) deformierbar ist;
eine feste Elektrode (32, 42), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegend angeordnet ist;
eine mit der beweglichen Elektrode (24) und der fe sten Elektrode (32, 42) verbundene Signalanlegeein richtung (220) zum selektiven Anlegen irgendwelcher periodisch veränderlichen Signale, die ein Erfas sungssignal zum Erfassen der physikalischen Größe und ein Selbstdiagnosesignal zur Verwendung bei einem Durchführen einer Selbstdiagnose beinhalten, zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elek trode (32, 42); und
eine C/V-Wandlerschaltung (210) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung entsprechend einer Änderung eines kapazitiven Elements, das zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elektrode (32, 42) de finiert ist, wobei
eine Kapazität des kapazitiven Elements während eines Anlegens des Erfassungssignals veränderlich ist, um dadurch ein Erfassen der physikalischen Größe zuzu lassen,
der Federabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbst diagnosesignals deformierbar ist, um ein Erzeugen ei ner quasi-physikalischen Größe an der beweglichen Elektrode (24) zuzulassen, und
ein Verhältnis einer Frequenz des Selbstdiagnosesig nals zu einer Resonanzfrequenz des Federabschnitts (22) in seiner Deformationsrichtung derart einge stellt ist, daß eine Resonanzverstärkung des Federab schnitts (22) auf ein Anlegen des Selbstdiagnosesig nals gleich oder größer als einfach ist.
2. Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikali
schen Größe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis der Frequenz des Selbstdiagnose
signals zu der Resonanzfrequenz des Federabschnitts
(22) in seiner Deformationsrichtung derart einge
stellt ist, daß eine Resonanzverstärkung auf ein An
legen des Selbstdiagnosesignals 1,1-fach ist.
3. Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikali
schen Größe, die aufweist:
einen Federabschnitt (22), der auf ein Einwirken ei ner physikalischen Größe in einer bestimmten Richtung deformierbar ist, um dadurch eine Federfunktion auf zuweisen;
eine bewegliche Elektrode (24), die integral mit dem Federabschnitt (22) ausgebildet ist und zusammen mit dem Federabschnitt (22) in einer Deformationsrichtung des Federabschnitts (22) deformierbar ist;
eine feste Elektrode (32, 42), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegend abgeordnet ist;
eine mit der beweglichen Elektrode (24) und der fe sten Elektrode (32, 42) verbundene Signalanlegeein richtung (220) zum selektiven Anlegen irgendwelcher periodisch veränderlichen Signale, die ein Erfas sungssignal zum Erfassen der physikalischen Größe und ein Selbstdiagnosesignal zur Verwendung bei einem Durchführen einer Selbstdiagnose beinhalten, zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elek trode (32, 42); und
eine C/V-Wandlerschaltung (210) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung entsprechend einer Änderung eines kapazitiven Elements, das zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elektrode (32, 42) de finiert ist, wobei
eine Kapazität des kapazitiven Elements während eines Anlegens des Erfassungssignals veränderlich ist, um dadurch ein Erfassen der physikalischen Größe zuzu lassen,
der Federabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbst diagnosesignals deformierbar ist, um ein Erzeugen ei ner quasi-physikalischen Größe an der beweglichen Elektrode (24) zuzulassen, und
das Selbstdiagnosesignal eine Frequenz aufweist, die gleich oder kleiner als ein bestimmter Wert ist, der 1,41-mal einer Resonanzfrequenz des Federabschnitts (22) in seiner Deformationsrichtung ist.
einen Federabschnitt (22), der auf ein Einwirken ei ner physikalischen Größe in einer bestimmten Richtung deformierbar ist, um dadurch eine Federfunktion auf zuweisen;
eine bewegliche Elektrode (24), die integral mit dem Federabschnitt (22) ausgebildet ist und zusammen mit dem Federabschnitt (22) in einer Deformationsrichtung des Federabschnitts (22) deformierbar ist;
eine feste Elektrode (32, 42), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegend abgeordnet ist;
eine mit der beweglichen Elektrode (24) und der fe sten Elektrode (32, 42) verbundene Signalanlegeein richtung (220) zum selektiven Anlegen irgendwelcher periodisch veränderlichen Signale, die ein Erfas sungssignal zum Erfassen der physikalischen Größe und ein Selbstdiagnosesignal zur Verwendung bei einem Durchführen einer Selbstdiagnose beinhalten, zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elek trode (32, 42); und
eine C/V-Wandlerschaltung (210) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung entsprechend einer Änderung eines kapazitiven Elements, das zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elektrode (32, 42) de finiert ist, wobei
eine Kapazität des kapazitiven Elements während eines Anlegens des Erfassungssignals veränderlich ist, um dadurch ein Erfassen der physikalischen Größe zuzu lassen,
der Federabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbst diagnosesignals deformierbar ist, um ein Erzeugen ei ner quasi-physikalischen Größe an der beweglichen Elektrode (24) zuzulassen, und
das Selbstdiagnosesignal eine Frequenz aufweist, die gleich oder kleiner als ein bestimmter Wert ist, der 1,41-mal einer Resonanzfrequenz des Federabschnitts (22) in seiner Deformationsrichtung ist.
4. Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikali
schen Größe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Frequenz des Selbstdiagnosesignals von 0,2-
bis 1,4-mal der Resonanzfrequenz des Federabschnitts
(22) in seiner Deformationsrichtung reicht.
5. Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikali
schen Größe, die aufweist:
einen Federabschnitt (22), der auf ein Einwirken ei ner physikalischen Größe in einer bestimmten Richtung deformierbar ist, um dadurch eine Federfunktion auf zuweisen;
eine bewegliche Elektrode (24), die integral mit dem Federabschnitt (22) ausgebildet ist und zusammen mit dem Federabschnitt (22) in einer Deformationsrichtung des Federabschnitts (22) deformierbar ist;
eine feste Elektrode (32, 42), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegend angeordnet ist;
eine mit der beweglichen Elektrode (24) und der fe sten Elektrode (32, 42) verbundene Signalanlegeein richtung (220) zum selektiven Anlegen irgendwelcher periodisch veränderlichen Signale, die ein Erfas sungssignal zum Erfassen der physikalischen Größe und ein Selbstdiagnosesignal zur Verwendung bei einem Durchführen einer Selbstdiagnose beinhalten, zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elek trode (32, 42); und
eine C/V-Wandlerschaltung (210) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung entsprechend einer Änderung eines kapazitiven Elements, das zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elektrode (32, 42) de finiert ist, wobei
die Kapazität des kapazitiven Elements während eines Anlegens des Erfassungssignals veränderlich ist, um dadurch ein Erfassen der physikalischen Größe zuzu lassen,
der Federabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbst diagnosesignals deformierbar ist, um ein Erzeugen ei ner quasi-physikalischen Größe an der beweglichen Elektrode (24) zuzulassen, und
ein Verhältnis einer Frequenz des Selbstdiagnosesig nals zu einer Resonanzfrequenz des Federabschnitts (22) in seiner Deformationsrichtung derart einge stellt ist, daß bewirkt wird, daß der Federabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbstdiagnosesignals schwingt.
einen Federabschnitt (22), der auf ein Einwirken ei ner physikalischen Größe in einer bestimmten Richtung deformierbar ist, um dadurch eine Federfunktion auf zuweisen;
eine bewegliche Elektrode (24), die integral mit dem Federabschnitt (22) ausgebildet ist und zusammen mit dem Federabschnitt (22) in einer Deformationsrichtung des Federabschnitts (22) deformierbar ist;
eine feste Elektrode (32, 42), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegend angeordnet ist;
eine mit der beweglichen Elektrode (24) und der fe sten Elektrode (32, 42) verbundene Signalanlegeein richtung (220) zum selektiven Anlegen irgendwelcher periodisch veränderlichen Signale, die ein Erfas sungssignal zum Erfassen der physikalischen Größe und ein Selbstdiagnosesignal zur Verwendung bei einem Durchführen einer Selbstdiagnose beinhalten, zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elek trode (32, 42); und
eine C/V-Wandlerschaltung (210) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung entsprechend einer Änderung eines kapazitiven Elements, das zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elektrode (32, 42) de finiert ist, wobei
die Kapazität des kapazitiven Elements während eines Anlegens des Erfassungssignals veränderlich ist, um dadurch ein Erfassen der physikalischen Größe zuzu lassen,
der Federabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbst diagnosesignals deformierbar ist, um ein Erzeugen ei ner quasi-physikalischen Größe an der beweglichen Elektrode (24) zuzulassen, und
ein Verhältnis einer Frequenz des Selbstdiagnosesig nals zu einer Resonanzfrequenz des Federabschnitts (22) in seiner Deformationsrichtung derart einge stellt ist, daß bewirkt wird, daß der Federabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbstdiagnosesignals schwingt.
6. Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikali
schen Größe, die aufweist:
einen Trägerabschnitt (22), der auf ein Anlegen einer physikalischen Größe in einer Richtung im wesentli chen in rechten Winkeln zu einer Längsrichtung des Trägerabschnitts (22) deformierbar ist;
eine bewegliche Elektrode (24), die integral mit dem Trägerabschnitt (22) in einer trägerartigen Form aus gebildet ist, die sich in der gleichen Richtung wie die Längsrichtung des Trägerabschnitts (22) ausdehnt und zusammen mit dem Trägerabschnitt (22) in einer Deformationsrichtung des Trägerabschnitts (22) defor mierbar ist;
eine feste Elektrode (32, 42), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegend ausgebildet ist;
eine mit der beweglichen Elektrode (24) und der fe sten Elektrode (32, 42) verbundene Signalanlegeein richtung (220) zum selektiven Anlegen irgendwelcher periodisch veränderlichen Signale, die ein Erfas sungssignal zum Erfassen der physikalischen Größe und ein Selbstdiagnosesignal zur Verwendung bei einem Durchführen einer Selbstdiagnose beinhalten, zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elek trode (32, 42); und
eine C/V-Wandlerschaltung (210) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung entsprechend einer Änderung eines kapazitiven Elements, das zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elektrode (32, 42) de finiert ist, wobei
die Kapazität des kapazitiven Elements während eines Anlegens des Erfassungssignals veränderlich ist, um dadurch ein Erfassen der physikalischen Größe zuzu lassen,
der Trägerabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbst diagnosesignals deformierbar ist, um ein Erzeugen ei ner quasi-physikalischen Größe an der beweglichen Elektrode (24) zuzulassen, und
eine Trägerbreite (W1) an der beweglichen Elektrode (24) in ihrer Deformationsrichtung im wesentlichen zu einer Trägerbreite (W2) an dem Trägerabschnitt in seiner Deformationsrichtung identisch ist, während eine Steifigkeit an der beweglichen Elektrode (24) in ihrer Deformationsrichtung größer als eine Steifig keit an dem Trägerabschnitt (22) in seiner Deforma tionsrichtung ist.
einen Trägerabschnitt (22), der auf ein Anlegen einer physikalischen Größe in einer Richtung im wesentli chen in rechten Winkeln zu einer Längsrichtung des Trägerabschnitts (22) deformierbar ist;
eine bewegliche Elektrode (24), die integral mit dem Trägerabschnitt (22) in einer trägerartigen Form aus gebildet ist, die sich in der gleichen Richtung wie die Längsrichtung des Trägerabschnitts (22) ausdehnt und zusammen mit dem Trägerabschnitt (22) in einer Deformationsrichtung des Trägerabschnitts (22) defor mierbar ist;
eine feste Elektrode (32, 42), die der beweglichen Elektrode (24) gegenüberliegend ausgebildet ist;
eine mit der beweglichen Elektrode (24) und der fe sten Elektrode (32, 42) verbundene Signalanlegeein richtung (220) zum selektiven Anlegen irgendwelcher periodisch veränderlichen Signale, die ein Erfas sungssignal zum Erfassen der physikalischen Größe und ein Selbstdiagnosesignal zur Verwendung bei einem Durchführen einer Selbstdiagnose beinhalten, zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elek trode (32, 42); und
eine C/V-Wandlerschaltung (210) zum Erzeugen einer Ausgangsspannung entsprechend einer Änderung eines kapazitiven Elements, das zwischen der beweglichen Elektrode (24) und der festen Elektrode (32, 42) de finiert ist, wobei
die Kapazität des kapazitiven Elements während eines Anlegens des Erfassungssignals veränderlich ist, um dadurch ein Erfassen der physikalischen Größe zuzu lassen,
der Trägerabschnitt (22) auf ein Anlegen des Selbst diagnosesignals deformierbar ist, um ein Erzeugen ei ner quasi-physikalischen Größe an der beweglichen Elektrode (24) zuzulassen, und
eine Trägerbreite (W1) an der beweglichen Elektrode (24) in ihrer Deformationsrichtung im wesentlichen zu einer Trägerbreite (W2) an dem Trägerabschnitt in seiner Deformationsrichtung identisch ist, während eine Steifigkeit an der beweglichen Elektrode (24) in ihrer Deformationsrichtung größer als eine Steifig keit an dem Trägerabschnitt (22) in seiner Deforma tionsrichtung ist.
7. Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer physikali
schen Größe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Trägerbreite (W1) an der beweglichen Elek
trode (24) in ihrer Deformationsrichtung von 0,8- bis
1,2-mal der Trägerbreite (W2) an dem Trägerabschnitt
(22) in seiner Deformationsrichtung reicht.
8. Kapazitive Vorrichtung zum Erfassen einer pysikali
schen Größe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß:
die feste Elektrode (32, 42) im wesentlichen parallel zu der beweglichen Elektrode (24) länglich ist,
die bewegliche Elektrode (24) und die feste Elektrode (32, 42) an einer Seitenfläche des Trägerabschnitts (22) einander gegenüberliegen, und
die Trägerbreite der festen Elektrode (32, 42) in der Deformationsrichtung des Trägerabschnitts (22) im wesentlichen identisch zu der Trägerbreite (W1) an der beweglichen Elektrode (24) in ihrer Deformations richtung ist.
die feste Elektrode (32, 42) im wesentlichen parallel zu der beweglichen Elektrode (24) länglich ist,
die bewegliche Elektrode (24) und die feste Elektrode (32, 42) an einer Seitenfläche des Trägerabschnitts (22) einander gegenüberliegen, und
die Trägerbreite der festen Elektrode (32, 42) in der Deformationsrichtung des Trägerabschnitts (22) im wesentlichen identisch zu der Trägerbreite (W1) an der beweglichen Elektrode (24) in ihrer Deformations richtung ist.
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