DE4107661A1 - Kapazitiver beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Erfassung von Beschleunigungen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

In der DE-PS 36 25 411 wird ein kapazitiver Beschleunigungssensor beschrieben, der mit mikromechanischer Fertigungstechnologie und Ätztechnik hergestellt ist. Innerhalb eines Rahmens ist eine Beschleunigungsplatte mit symmetrisch zur Ober- und Unterseite der Beschleunigungsplatte angeordneten Biegebändern aufgehängt. Es wird vorgeschlagen, mehrere zweifach übereinanderliegende Biegebänder zu benutzen. Auf den beiden Hauptoberflächen der Beschleunigungsplatte sind Kondensatorelektroden angeordneten, deren Gegenelektroden auf der Beschleunigungsplatte gegenüber liegenden Deckplatten aufge­ bracht sind. Als Realisierungsmöglichkeiten für die Gegenelektroden werden aufgedampfte Metallfilme oder aufgetragene Metallfolien vor­ geschlagen. Bei geeignetem Material der Beschleunigungsplatte können die Oberflächen der Beschleunigungsplatte direkt als Elektroden dienen; ansonsten können ebenfalls Metallfilme bzw. Metallfolien als Elektroden verwendet werden.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß durch die spezielle Dimensionie­ rung und Anordnung der Elektroden und Gegenelektroden zueinander eine gleichzeitige Erfassung aller Raumrichtungsanteile von Beschleunigungen mittels einer einzigen seismischen Masse möglich ist. Entsprechend gering ist der Platzbedarf dieses Sensors. Die Verwendung nur einer einzigen seismischen Masse in Verbindung mit mehreren Kondensatoranordnungen, die unterschiedliche Raumrichtungs­ anteile der Beschleunigung erfassen, ist auch deshalb von Vorteil, da die Beschleunigungen immer mit Sicherheit bei gleicher Bewegungs­ phase der seismischen Masse erfaßt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. Als besonders vorteilhaft für die geometrische Dimensionie­ rung der Elektrode und der Gegenelektrode der weiteren Kondensator­ anordnung, deren Kapazität sich bei Auslenkungen der seismischen Masse in jeder Raumrichtung ändert, erweisen sich Kammstrukturen, deren Überlappungsgrad sich besonders stark bei Auslenkungen der seismischen Masse verändert. Die Anordnung von Elektroden sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der seismischen Masse mit entsprechenden Gegenelektroden auf einer oberen und einer unteren Abdeckung, insbesondere die Anordnung von Kondensatoranordnungen, die gleiche Raumrichtungsanteile der Beschleunigung erfassen, auf der Ober- und auf der Unterseite der seismischen Masse versetzt gegeneinander, ist von Vorteil, da durch diese Maßnahmen Kippbewe­ gungen der seismischen Masse erkannt werden. Zudem sind dadurch Auslenkungen der seismischen Masse als Differenzsignale auswertbar.

Ein besonders vorteilhaftes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Elektrodengeometrie und -anordnung ist die gleichzeitige Erfassung von Anregungsschwingungen einer seismischen Masse in einer Ebene und Antwort des Systems in Form einer Auslenkung der seismischen Masse in einer Richtung senkrecht zur Anregungsebene. Dabei ist nicht wesentlich, welcherart die Anregung ist, sie kann zum Beispiel thermisch, elektrostatisch oder auch elektrodynamisch erfolgen. Die Kapazität der ersten Kondensatoranordnung bleibt bei richtiger Dimensionierung der Elektrode und der Gegenelektrode von Anregungs­ schwingungen der seismischen Masse in der Rahmenebene unbeeinflußt, da sich diese nur bei Änderung des Abstandes der Kondensatorplatten verändert. Die Kapazität der weiteren Kondensatoranordnung hingegen verändert sich bei Bewegungen der seismischen Masse in allen drei Raumrichtungen, da die weitere Elektrode und die weitere Gegen­ elektrode so dimensioniert und angeordnet sind, daß sich ihr Über­ deckungsgrad bei Auslenkung der seismischen Masse in der Rahmenebene verändert; eine Auslenkung der seismischen Masse senkrecht zur Rahmenebene führt auch bei der weiteren Kondensatoranordnung zu einer Veränderung des Abstandes der weiteren Elektrode und der weiteren Gegenelektrode und so zu einer Kapazitätsänderung. Die Anregungsschwingung der seismischen Masse kann also durch die weitere Elektrodeanordnung überwacht werden, wobei der Einfluß der Auslenkungen senkrecht zur Rahmenebene durch die erste Elektroden­ anordnung bestimmt und eliminiert wird. Dadurch ist eine Regelung der Anregungsschwingungen möglich. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung bei Winkelge­ schwindigkeitssensoren, wo eine Anregung der seismischen Masse in einer ersten Richtung erfolgt und die Winkelgeschwindigkeit über die dabei auftretende Corioliskraft und die daraus resultierende Aus­ lenkung in einer Richtung senkrecht zur Anregungsrichtung gemessen wird, wobei gleichzeitig ständig Informationen über den augenblick­ lichen Anregungszustand der seismischen Masse benötigt werden. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung ist allerdings auch bei völlig anderen Sensorkonzepten denkbar, bei denen die separate aber gleichzeitige Erfassung von Bewegungen in allen Raum­ richtungen erforderlich ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 die Aufsicht auf eine seismischen Masse mit einer schematisch dargestellten Elektrodenanordnung, Fig. 2 die per­ spektivische Ansicht einer seismischen Masse und Fig. 3 einen Schnitt durch einen Sensor.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit 10 eine seismische Masse bezeichnet, die über Stege 11 bis 14 mit einem hier nicht dargestellten Rahmen schwin­ gungsfähig verbunden ist. Die Rahmenebene entspricht der x/y-Ebene der Fig. 1. Auf der Oberfläche der seismischen Masse 10 sind zwei Elektroden 311 und 411 angeordnet. In Fig. 1 sind ferner die dazu­ gehörigen Gegenelektroden 321 und 421 dargestellt, die den Elektro­ den 311 und 411 gegenüber auf einer in Fig. 1 nicht dargestellten Abdeckung angeordnet sind, so daß die Elektroden 311 und 411 zusammen mit den Gegenelektroden 321 und 421 jeweils eine Kondensa­ toranordnung bilden. Die Elektroden 311 und die dazugehörige Gegen­ elektrode 321 sind als zusammenhängende Fläche, hier rechteckförmig, ausgestaltet, wobei die Elektrode 311 größer als ihre dazugehörige Gegenelektrode 321 dimensioniert ist, und zwar so, daß sich der Überdeckungsgrad dieser Elektroden 311, 321 auch bei maximaler Aus­ lenkung der seismischen Masse 10 in der Rahmenebene x/y nicht ver­ ändert. Diese erste Kondensatoranordnung ändert also ihre Kapazität nur bei einer Auslenkung der seismischen Masse 10 in z-Richtung, d. h. senkrecht zur Rahmenebene, da sich dann der Abstand zwischen der Elektrode 311 und der Gegenelektrode 321 verändert. Die Elektroden 411 und 421 der weiteren Kondensatoranordnung weisen Kammstruktur auf und sind so angeordnet, daß die Zinken der Elektrode 411 und der Gegenelektrode 421 einander entgegengesetzt orientiert sind.

Die Kapazität dieser Elektrodenanordnung verändert sich bei Aus­ lenkungen der seismischen Masse 10 in allen drei Raumrichtungen, da sich bei einer Auslenkung in der Rahmenebene x/y der Überdeckungs­ grad der Elektrode 411 und der Gegenelektrode 421 verändert, was zu einer Kapazitätsänderung führt, und bei einer Bewegung der seis­ mischen Masse senkrecht zur Rahmenebene in z-Richtungen die Änderung des Abstandes der Elektrode 411 und der Gegenelektrode 421 zu einer Kapazitätsänderung führt. Durch Auswertung der Kombination der Kapazitätsänderungen der ersten Kondensatoranordnung 311, 321 und der zweiten Kondensatoranordnung 411, 421 lassen sich also Beschleu­ nigungen in der x/y-Ebene unabhängig von Beschleunigungen in z-Rich­ tung erfassen. In Fig. 1 ist nur eine mögliche Ausgestaltungsform der Elektroden der weiteren Kondensatoranordnung 411, 421 dar­ gestellt. Im Rahmen der Erfindung liegen auch andere Ausführungs­ formen, bei denen sich der Überdeckungsgrad der weiteren Elektrode 411 und der dazuhörigen weiteren Gegenelektrode 421 bei Auslenkungen der seismischen Masse 10 in der Rahmenebene x/y verändert, wobei eine möglichst große Genauigkeit des Sensors erzielt wird, je größer die Änderung des Überdeckungsgrades ist.

In Fig. 2 ist die in Fig. 1 dargestellte seismische Masse 10 perspektivisch dargestellt mit einer symmetrischen Aufhängung der seismischen Masse 10 in einem hier nicht dargestellten Rahmen über Stege 11 bis 18. Die Stege sind jeweils an den Ecken der Ober- und der Unterseite der seismischen Masse 10 angeordnet. Durch die Orien­ tierung der Stege 11 bis 18 tritt eine Schwingung in der Rahmenebene x/y bevorzugt in y-Richtung auf.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen Sensoraufbau mit einer seismischen Masse entsprechend Fig. 1 und 2 dargestellt mit einer oberen Abdeckung 21 und einer unteren Abdeckung 22. Die Abdeckungen 21 und 22 sind starr mit dem Rahmen 19 verbunden. Die Abdeckungen 21 und 22 weisen jeweils eine Kaverne auf, die sich über die Bereiche der Aufhängungsstege 11 bis 18 und der seismischen Masse 10 er­ strecken, so daß ein Zwischenraum zwischen der seismischen Masse 10 und den Abdeckungen 21 und 22 gebildet ist. Auf der Oberseite und der Unterseite der seismischen Masse 10 sind jeweils Elektroden angeordnet, von denen hier nur die Elektroden 311 und 312 darge­ stellt sind, ihnen gegenüber auf den Abdeckungen 21 und 22 befinden sich die Gegenelektroden, hier 321 und 322.

Als Material für die über Stege mit einem Rahmen verbundene seis­ mische Masse eignet sich sowohl ein monokristalliner, strukturierter Siliziumträger als auch beispielsweise ein strukturiert es Keramik­ substrat. Je nach Aufbautechnik und Anwendungsgebiet des Sensors sind die Materialien der Abdeckungen zu wählen.

Die erfindungsgemäße Elektrodenausgestaltung und -anordnung eignet sich für Sensoranwendungen, bei denen gleichzeitig aber unabhängig voneinander Bewegungen in allen Raumrichtungen erfaßt werden sollen. Einen speziellen Anwendungsfall stellt ein Winkelgeschwindigkeits­ sensor dar. Hier wird eine seismische Masse in einer ersten Bewe­ gungsrichtung beispielsweise der y-Richtung in der Rahmenebene zu Schwingungen angeregt. Dies kann thermisch, elektrostatisch oder auch elektrodynamisch erfolgen. Über die erfindungsgemäße Elektro­ denanordnung ist der augenblickliche Anregungszustand jederzeit bestimmbar und überprüfbar, was eine Nachregelung der Schwingungs­ anregung ermöglicht. Die Winkelgeschwindigkeit wird aufgrund auf­ tretender Corioliskräfte und der daraus resultierende Auslenkung der seismischen Masse senkrecht zur Anregungsrichtung, hier in z-Rich­ tung, bestimmt. Dabei ist aufgrund des geringen Signalhubs eine sehr hohe Auflösung erforderlich. Die Auslenkungen der seismischen Masse in z-Richtung müssen unabhängig von den Auslenkungen in der x/y-Ebene erfaßt werden.

Claims (5)

1. Sensor zur Erfassung von Beschleunigungen mit einer schwingungs­ fähig in einem Rahmen eingespannten seismischen Masse, an deren Oberfläche Elektroden angeordnet sind, und mit mindestens einer mit dem Rahmen verbundenen Abdeckung, auf der den Elektroden gegenüber Gegenelektroden angeordnet sind, die zusammen mit den Elektroden Kondensatoranordnungen bilden, über die Beschleunigungen als Auslenkungen der seismischen Masse kapazitiv erfaßbar sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß mindestens eine erste Kondensatoranordnung mit einer ersten Elektrode (311, 312) und einer ersten Gegenelektrode (321, 322) vorhanden ist, die so dimensioniert und angeordnet sind, daß der Überdeckungsgrad der Elektroden (311, 321; 312, 322) der ersten Kondensatoranordnung in jeder Position der seismischen Masse (10), insbesondere bei Auslenkungen der seismischen Masse (10) parallel zur Rahmenebene unverändert bleibt,
• - und daß mindestens eine weitere Kondensatoranordnung mit einer weiteren Elektrode (411, 412) und einer weiteren Gegenelektrode (421, 422) vorhanden ist; die so dimensioniert und angeordnet sind, daß eine Auslenkungen der seismischen Masse (10) parallel zur Rahmenebene eine Änderung des Überdeckungsgrades der Elektroden (411, 421; 412, 422) der weiteren Kondensatoranordnung bedingt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine weitere Elektrode (411, 412) und die mindestens eine weitere Gegenelektrode (421, 422) als Kammstrukturen ausgebildet sind, wobei die Orientierungen der Zinken der weiteren Elektrode (411, 412) und der weiteren Gegenelektrode (421, 422) einander entgegengesetzt sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoranordnungen, die aus auf der Oberseite der seismischen Masse (10) angeordneten Elektroden (311, 411) und auf einer oberen Abdeckung (21) angeordneten Gegenelektroden (321, 421) gebildet sind, zusammen mit den Kondensatoranordnungen, die aus auf der Unterseite der seismischen Masse (10) angeordneten Elektroden (312, 412) und auf einer unteren Abdeckung (22) angeordneten Gegenelektroden (322, 422) gebildet sind, Differentialkondensatoranordnungen bilden.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Kondensatoranordnungen (311, 321; 411, 421) auf der Oberseite der seismischen Masse (10) versetzt gegen die Kondensatoranordnungen (312, 322; 412, 422) auf der Unterseite der seismischen Masse (10) angeordnet sind.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• - daß Mittel vorhanden sind zum Anregen der seismischen Masse (10) zu Schwingungen in der Rahmenebene,
• - daß Mittel vorhanden sind zum Regeln der Anregungsschwingungen aufgrund der Kapazitätsänderungen der ersten und der weiteren Kondensatoranordnungen (311, 321; 312, 322; 411, 421; 412, 422)
• - und daß Auslenkungen der seismischen Masse (10) senkrecht zur Rahmenebene unabhängig von Auslenkungen in der Rahmenebene erfaßbar sind.