DE4102805A1 - Kapazitiver beschleunigungssensor - Google Patents
Kapazitiver beschleunigungssensorInfo
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- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gat
tung des Hauptanspruchs.
In der DE-OS 38 14 950 wird ein Beschleunigungssensor beschrieben,
dessen Gehäuse aus einzelnen Schichten aus keramischem Material her
gestellt ist. Aus diesem Material besteht auch eine in dem Sensor
gehäuse angeordnete, an Biegefedern aufgehängte, seismische Masse,
auf deren Ober- und Unterseite dehnungsempfindliche Sensorwider
stände in Dickschichttechnik aufgebracht sind. In dieser Schrift
werden ferner zwei Standard-Dickschicht-Verfahren, die Greensheet-
Technologie und das Aufglasen oder Verkleben von fertiggesinterten
Keramikformteilen, zum Aufbau des Sensorgehäuses beschrieben. Auch
das Aufdrucken von Schaltungselementen, wie Widerständen oder
Leiterbahnen, in Dickschichttechnik ist aus dieser Schrift bekannt.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungssensor mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß auftretende
Beschleunigungen als Kapazitätsänderungen erfaßt werden und durch
eine geeignete elektronische Auswerteschaltung in ein beschleuni
gungsproportionales Signal umgesetzt werden. Wegen der sehr empfind
lichen kapazitiven Auswertung ist zum einen ein großer Meßeffekt
erzielbar; zum anderen ist über die steifigkeit der Biegefedern, an
denen die seismische Masse aufgehängt ist, eine große Eigenresonanz
frequenz einstellbar, was zu einer großen Meßbrandbreite für
Beschleunigungen führt. Eine geeignete Dämpfung des Systems, zum
Beispiel aperiodisch, wird durch ein zwischen den Platten befind
liches Medium, wie vorzugsweise trockene Luft, erzielt. Der
Dämpfungsgrad wird auch über den Druck des eingeschlossenen Mediums
eingestellt, wobei die Dämpfung mit dem Druck zunimmt. Vorteilhaft
ist auch, wenn die Verkapselung des Sensors bei Umgebungsdruck
erfolgt, evtl. bei hohen Temperaturen, so daß keine gesonderte
Evakuierung bzw. Füllung erforderlich ist. Luftdämpfung weist einen
nur geringen Temperaturgang auf und bietet zusätzlich Überlastschutz
gegen Stöße. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist,
daß sämtliche mechanischen Komponenten sowie ein großer Teil der zur
Erfassung und Auswertung des Meßsignals erforderlichen elektro
nischen Schaltung einfach mit Standardverfahren der Dickschicht
technik und damit relativ billig herstellbar sind. Die Hybrid
integrierbarkeit von Sensor und Auswerteschaltung führt zu einer
störunempfindlichen Signalauswertung. Vorteilhaft in diesem
Zusammenhang ist, daß das Sensorgehäuse sowie sämtliche mechanischen
Komponenten aus demselben Material hergestellt sind, so daß Störein
flüsse durch eine mechanische Verformung des Sensorgehäuses, ins
besondere durch Temperatureinflüsse, weitgehend vermieden werden.
Dies führt außerdem zu einer guten Langzeitstabilität des Sensors.
Ein weiterer Vorteil ist, daß der erfindungsgemäße Sensor einen
gekapselten Aufbau hat und damit relativ verschmutzungsunempfindlich
ist. Gleichzeitig dient das Gehäuse auch als Überlastschutz für die
an Biegefedern aufgehängte seismische Masse, da es eine mechanische
Begrenzung der Auslenkungen bei zu hohen Beschleunigungen sowie
gegenüber suerbeschleunigungen darstellt. Eine Beschädigung der
Biegefedern, insbesondere ein Bruch, wird dadurch verhindert.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Maßnahmen möglich.
So läßt sich mit Hilfe einer Differentialkondensatoranordnung auf
einfache und vorteilhafte Weise eine Verstärkung und Linearisierung
des Meßsignals erzielen. Mit einer spiralförmigen Ausgestaltung der
Biegefedern läßt sich die Federkonstante und damit die Empfindlich
keit des Sensors vorteilhaft variieren. Als besonders vorteilhaft
erweist sich die Ausgestaltung der seismischen Masse mit Durchgangs
bohrungen, da dadurch der Gasaustausch im Sensorhohlraum beeinfluß
bar ist. Die Dämpfung des schwingungsfähigen mechanischen Systems
ist über den Abstand und die Größe der Durchgangsbohrungen in weiten
Grenzen variierbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die
Fig. 1 die perspektivische Darstellung der den Sensoraufbau bilden
den Schichten vor dem Zusammensetzen und Fig. 2 den Schnitt durch
einen Sensor.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen
Beschleunigungssensors dargestellt, der eine Grundplatte 10, eine
Mittelplatte 20 und eine Deckplatte 30 aufweist. Die Platten 10, 20
und 30 sind aus einem keramischen Material, beispielsweise aus
gesinterten Keramikformteilen. Die Dicke der Grundplatte 10 und der
Deckplatte 30 liegt im Bereich von 630 µm. Die Mittelplatte 20
ist wesentlich dünner ausgebildet; ihre Dicke beträgt ungefähr
250 µm. Aus der Mittelplatte 20 ist in einem mittleren Bereich
eine an Biegefedern 26 aufgehängte seismische Masse 25 strukturiert.
Die seismische Masse 25 in diesem Beispiel ist scheibenförmig, rund
ausgebildet, sie kann aber auch jede andere geeignete Form haben.
Die Biegebalken 26 sind spiralförmig um die seismische Masse 25 an
geordnet. Diese spezielle Ausführungsform ermöglicht relativ große
Auslenkungen der seismischen Masse 25 senkrecht zu den Schicht
ebenen. Die Geometrie der Biegefedern kann je nach Anwendungsgebiet
und gewünschter Steifigkeit der Aufhängung der seismischen Masse 25
gewählt werden. Die seismische Masse 25 weist Durchgangsbohrungen 27
auf. Durch die Anzahl, den Abstand und die Größe der Bohrungen 27
kann der Gasaustausch zwischen Ober- und Unterseite der seismischen
Masse 25 variiert werden und somit die Dämpfung der seismischen
Masse 25 in dem abgeschlossenen Sensorhohlraum in weiten Grenzen
eingestellt werden. Die Strukturierung der Mittelplatte 20 kann
durch Laserschnitte oder andere geeignete Strukturierungsverfahren
erzeugt werden. Auf die Ober- und die Unterseite der seismischen
Masse 25 sind jeweils eine Elektrode 21 und 22 aufgebracht, von
denen nur die Elektrode 22 in Fig. 1 dargestellt ist. Gegenüber den
Mittelelektroden 21 und 22 sind auf der Grundplatte 10 und auf der
Deckplatte 30 jeweils Elektroden 12 und 32 angeordnet. Mit 13 ist
eine strukturiert auf die Grundplatte 10 aufgebrachte Glasdick
schicht bezeichnet. Eine entsprechende in Fig. 1 nicht dargestellte
Glasdickschicht 33 ist auf der der Mittelplatte 20 zugewandten Ober
fläche der Deckplatte 30 aufgebracht. Über die Glasdickschichten 13
und 33 werden die Grundplatte 10, die Mittelplatte 20 und die Deck
platte 30 miteinander verglast. Durch die spezielle Strukturierung
der Glasdickschichten 13 und 33, d. h. durch die Ausnehmungen in den
Glasdickschichten 13 und 33 im Bereich der Elektroden 12, 21, 22 und
32 und der Biegefedern 26, entsteht beim Verglasen der Platten 10,
20 und 30 ein Hohlraum um die seismische Masse 25 und die Biege
federn 26. Als Verbindungsdickschicht 13 und 33 können auch anderer
geeignete Dickschichten verwendet werden. Bei einem Aufbau des
Sensorelementes in Dickschichttechnik ist es sinnvoll, die Elektro
den 12, 21, 22 und 32 ebenfalls in Dickschichttechnik, d. h. durch im
Siebdruckverfahren strukturiert aufgebrachte Dickschichtpasten und
anschließendes Brennen, aufzubringen.
Die Elektroden 12 und 21 sowie 22 und 32 bilden eine Differential
kondensatoranordnung. Wirkt eine Beschleunigung senkrecht zu den
Schichtebenen auf die seismische Masse 25, so wird diese senkrecht
zu den Schichtebenen ausgelenkt. Dadurch werden die Kapazitäten der
durch die Elektrode 12 und 21 und die Elektrode 22 und 32 gebildeten
Kondensatoren C1, C2 gegenläufig verändert. Dadurch wird der Meß
effekt erhöht. Die Durchgangsbohrungen 27 in der seismischen Masse
25 verringern zudem die Dämpfung, die die seismische Masse durch ein
im Sensorhohlraum eingeschlossenes Dämpfungsfluid, was im ein
fachsten Falle Luft ist, erfährt. Die Kapazitätsänderungen von C1
und C2 können durch eine geeignete elektronische Auswerteschaltung
in ein beschleunigungsproportionales Signal umgesetzt werden.
Fig. 2 veranschaulicht den Mehrlagen-Dickschichtaufbau des Sensors.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Abstände der Grundplatte 10
zur Mittelplatte 20 und der Deckplatte 30 zur Mittelplatte 20 gleich
gewählt. Diese Abstände werden definiert durch die Dicke der Glas
dickschichten 13 und 33. Fig. 2 veranschaulicht außerdem, daß der
durch die Ausnehmungen in den Dickschichten 13 und 33 gebildete
Sensorhohlraum durch die Mittelplatte 20 bzw. durch die aus der
Mittelplatte strukturierte seismische Masse 25 und die Biegefedern
26, in einen Teilraum oberhalb der seismischen Masse 25 und in einen
zweiten Teilraum unterhalb der seismischen Masse 25 aufgeteilt ist.
Sowohl durch die Bereiche zwischen den Biegefedern 26 als auch durch
die Bohrungen 27 in der seismischen Masse 25 ist ein Dämpfungsfluid
austausch zwischen dem ersten und dem zweiten Teilraum des Sensor
hohlraumes möglich. Mit 42 ist eine Kontaktierung der Elektrode 32
bezeichnet. Das Kontaktieren der Elektroden 12, 21, 22 und 32 kann
durch in Bohrungen in den Keramikplatten 10, 20 und 30 eingebrachtes
Kontaktiermaterial erfolgen. Auf das Sensorgehäuse sind ferner Teile
der Auswerteschaltung 41 aufgebracht. Auch dies erfolgt sinnvoller
Weise in Dickschichttechnik.
Heben der Schnittzeichnung des Sensors in Fig. 2 ist die Schal
tungsanordnung des Sensorelementes als Differentialkondensator
schematisch dargestellt. So läßt sich die Kapazität C1 zwischen den
Punkten 1 und 2 erfassen und die Kapazität C2 zwischen den Punkten 2
und 3.
Claims (9)
1. Sensor zur Messung von Beschleunigungen, der aus mehreren
Schichten von keramischen Bauteilen in Dickschichttechnologie
aufgebaut ist, mit mindestens einem Sensorhohlraum, in dem eine
scheibenförmige seismische Masse an Biegefedern aufgehängt ist, und
mit Mitteln zur Erfassung von Auslenkungen der seismischen Masse
senkrecht zu den Schichtebenen des Sensoraufbaus, dadurch gekenn
zeichnet,
- - daß der Sensoraufbau eine Grundplatte (10), eine Mittelplatte (20) und eine Deckplatte (30) aufweist, die in definierten Abständen zueinander aufeinander aufgebracht sind,
- - daß die seismische Masse (25) und die Biegefedern (26) aus der Mittelplatte (20) strukturiert sind,
- - daß auf mindestens eine der Grundplatte (10) und/oder der Deck platte (30) zugewandten Oberfläche der seismischen Masse (25) mindestens eine Mittelelektrode (21, 22) aufgebracht ist,
- - daß auf der der mindestens einen Mittelelektrode (21, 22) zuge wandten Oberfläche der Grundplatte (10) und/oder der Deckplatte (30) mindestens eine weitere Elektrode (12, 32) aufgebracht ist, die zusammen mit der mindestens einen Mittelelektrode (21, 22) mindestens einen Plattenkondensator (C1, C2) bildet,
- - und daß Auslenkungen der seismischen Masse (25) als Kapazitäts änderungen des mindestens einen Kondensators (C1, C2) erfaßt werden.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
- - daß mindestens zwei beidseitig auf der seismischen Masse angeordnete Mittelelektroden (21, 22) zusammen mit den ihnen gegenüber auf der Grundplatte (10) und der Deckplatte (30) ange ordneten weiteren Elektroden (12, 32) eine Differentialkondensa toranordnung bilden.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittelelektrode (21, 22), die weiteren Elektroden (12, 32) und die
Kontaktierungen der Elektroden (12, 21, 22, 32) durch im Siebdruck
verfahren aufgebrachte und anschließend gebrannte Dickschichtpasten
realisiert sind und daß Teile der Auswerteschaltung (41) auf dem
Sensoraufbau angeordnet sind.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die seismische Masse (25) an spiralfömig in der Ebene
der Mittelplatte (20) ausgebildeten Biegefedern (26) aufgehängt ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die seismische Masse (25) Durchgangsbohrungen (27)
aufweist.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Mittelplatte (20) durch Laserschnitte struktu
riert ist.
7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Grundplatte (10) mit der Mittelplatte (20) und die
Mittelplatte (20) mit der Deckplatte (30) über im Siebdruckverfahren
strukturiert aufgebrachte Dickschichten (13, 33), vorzugsweise Glas
dickschichten verbunden sind, wobei die Dicke der Dickschichten (13,
33) den Abstand zwischen der Grundplatte (10) und der Mittelplatte
(20) sowie zwischen der Mittelplatte (20) und der Deckplatte (30)
bestimmt und der Sensorhohlraum durch das Fehlen der Dickschichten
(13, 33) im Bereich der Elektroden (12, 21, 22, 32) und der Biege
federn (26) ausgebildet ist.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Abstand zwischen der Grundplatte (10) und der
Mittelplatte (20) genauso groß ist wie der Abstand zwischen der
Mittelplatte (20) und der Deckplatte (30).
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß sich in dem Sensorhohlraum ein Dämpfungsfluid, vor
zugsweise Luft, befindet.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4102805A DE4102805A1 (de) | 1991-01-31 | 1991-01-31 | Kapazitiver beschleunigungssensor |
PCT/DE1992/000041 WO1992014161A1 (de) | 1991-01-31 | 1992-01-24 | Kapazitiver beschleunigungssensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE4102805A DE4102805A1 (de) | 1991-01-31 | 1991-01-31 | Kapazitiver beschleunigungssensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4102805A1 true DE4102805A1 (de) | 1992-08-13 |
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ID=6424043
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4102805A Withdrawn DE4102805A1 (de) | 1991-01-31 | 1991-01-31 | Kapazitiver beschleunigungssensor |
Country Status (2)
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WO (1) | WO1992014161A1 (de) |
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