DE4224383C2

DE4224383C2 - Kapazitiver Beschleunigungssensor für Airbag-Systeme

Info

Publication number: DE4224383C2
Application number: DE4224383A
Authority: DE
Inventors: Shigeki Tsuchitani; Seiko Suzuki; Masayuki Miki; Masahiro Matsumoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1992-07-23
Publication date: 1999-07-15
Anticipated expiration: 2012-07-24
Also published as: JPH0526903A; DE4224383A1; JP2728807B2; US5350189A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Be schleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Airbag-System, in dem ein derartiger Beschleuni gungssensor verwendet wird.

Ein Beschleunigungsmesser vom kapazitiven Typ ist grund sätzlich aus einer durch ein elastisches Unterstützungsele ment (z. B. ein Ausleger, eine Membran oder dergleichen) un terstützten beweglichen Elektrode (Massebereich) und einer festen Elektrode, die der beweglichen Elektrode mit einem kleinen Spalt gegenüberliegt, aufgebaut. Wenn auf die be wegliche Elektrode aufgrund einer Beschleunigung eine Träg heitskraft wirkt, wird die bewegliche Elektrode in eine Stellung ausgelenkt, in der sich die Trägheitskraft mit der Rückstellkraft des elastischen Unterstützungselementes (eines elastischen Körpers) im Gleichgewicht befindet. Der Kapazitätswert zwischen der beweglichen und der festen Elektrode wird gemäß der Beschleunigung verändert, so daß die Beschleunigung über den Kapazitätswert bestimmt werden kann.

Die oben beschriebene Art eines Beschleunigungsmessers ist insofern von Interesse, als sie eine Möglichkeit zur Minia turisierung bietet und eine hohe Genauigkeit besitzt.

Ein kapazitiver Beschleunigungssensor des Standes der Tech nik ist z. B. aus JP 60-244864-A (1985) bekannt.

Im dynamischen Betrieb eines kapazitiven Beschleunigungs messers wird viskoses, in dem schmalen Spalt zwischen den Elektroden vorhandenes Gas aus dem Spalt gedrückt, wenn die bewegliche Elektrode in eine Richtung ausgelenkt wird, wo bei der Spalt zwischen der beweglichen und der festen Elek trode kleiner wird. Durch die Wirkung der zusammengedrück ten viskosen Gase wird in einer der Auslenkung der bewegli chen Elektrode entgegengesetzten Richtung auf diese eine große Rückstellkraft ausgeübt. Wenn andererseits die beweg liche Elektrode so ausgelenkt wird, daß der Spalt vergrö ßert wird, wird durch den erzeugten Unterdruck eine große Rückstellkraft in einer Richtung erzeugt, die die Auslen kung verhindert. Die obenerwähnten Rückstellkräfte stellen eine sogenannte Luftdämpfung dar und bilden die Ursache für ein langsameres Ansprechen des Sensors.

Die DE 37 03 793 A1 betrifft ein Detektorelement zur Messung von Kräften und Beschleunigungen mit einer in einem Halb leiterträger integrierten Elektronik, die kapazitive Ände rungen eines Paddels als Funktion der Neigung oder Beschleu nigung mißt. Das Paddel weist hierbei Langlöcher auf, wel che einen gleichmäßigen Unterhöhlungsraum für das Paddel und einen entsprechenden Paddelsteg schaffen.

Die DE 35 07 820 C2 zeigt weiterhin eine Vorrichtung zur kapazitiven Meßwertaufnahme, bei der in der beweglichen Elektrode Durchgangslöcher ausgebildet sind und die beweg liche Elektrode mit einer Membran gehalten wird. Weiterhin sind Nuten in der beweglichen Elektrode vorgesehen, um die Durchgangslöcher zu verbinden. Diese Nuten dienen dazu, der Luftstrom von der Unterseite der Platte zu ihrer Oberseite und zurück zu führen. Die entsprechenden Oberflächenvertie fungen und/oder Nuten bilden hierbei einen Führungskanal für den Luftdurchfluß.

Die US 4 679 434 zeigt einen elastischen Ausleger mit Ver tiefungen, die keine Verbindung zum Außenraum der Elektrode haben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kapaziti ven Beschleunigungssensor mit einem verbesserten Ansprech verhalten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 ge löst.

Zur Verringerung der Luftdämpfungskonstanten werden eine oder mehrere Kerben auf der Elektrodenoberfläche vorge schlagen, die im wesentlichen für eine Luftströmung in den Spalt zwischen der beweglichen und der gegenüberliegenden festen Elektrode hinein und aus diesem heraus sorgen. Als konkretes Beispiel wird eine Konstruktion vorgeschlagen, bei der jeder auf der Elektrodenoberfläche endende Bereich der Kerbe zu irgendeiner Elektrodenseite hin offen ist und die Vorderseiten der offenen Bereiche dem entsprechenden Bereich der anderen der oben beschriebenen Elektroden ge genüberliegen.

Bezüglich des am meisten bevorzugten Anordnungszustandes der oben beschriebenen Kerben zur Verringerung der Luft dämpfungskonstanten wird entweder eine Anordnung der Kerben in der Weise vorgeschlagen, daß die von den Kerben erzeug ten Elektroden-Unterteilungsbereiche symmetrisch sind, oder eine Anordnung der Kerben, derart, daß die von den Kerben in mehrere Bereiche unterteilte Elektrode eine im wesentli chen gleichmäßige Gewichtsverteilung besitzt.

Außerdem wird als Anwendungssystem ein Airbag-System vorge schlagen, das eine Einrichtung zur Erfassung der Beschleu nigung bei einem Zusammenstoß von Kraftfahrzeugen besitzt, welche eine Kapazitätsänderung zwischen einer beweglichen Elektrode, deren Oberfläche durch Kerben in mehrere Bereiche unterteilt ist, um die Luftdämpfungskon stante zu verringern, und einer gegenüberliegenden, fe sten Elektrode erfaßt und einen Airbag entsprechend der Änderung der Kapazität betätigt.

Die Funktion zur Verringerung der Luftdämpfungskonstanten ist anhand der Kerben zu erkennen, die auf mindestens ei ner der Oberflächen der beweglichen oder der festen Elek troden vorgesehen sind. Die Luftströmung in der Kerbe wird etwa durch die Anordnung eines jeden auf der Elektrodenoberfläche endenden Bereiches der Kerbe gegenüber einem beliebigen Bereich auf der anderen Elek trodenseite sicher aufrechterhalten. Folglich wird die bewegliche Elektrode gemäß der Beschleunigung ausgelenkt, wobei dann, wenn der Versatz in einer den Spalt verklei nernden Richtung erfolgt, das Gas von den ebenen Berei chen der Elektroden (dem Spalt zwischen den Elektroden) in die Kerbe strömt. Durch die Kerben wird das Gas gleichmäßig und mit geringerem Strömungswiderstand aus dem flachen Bereich der Elektroden ausgelassen.

Wenn andererseits die Auslenkung in einer den Spalt ver größernden Richtung erfolgt, strömt das Gas von außerhalb des flachen Bereiches der Elektroden mit kleinem Strö mungswiderstand durch die Kerbe und anschließend schnell in den Spalt zwischen den Elektroden. Bei dieser Funkti onsweise kann der Widerstand an den Elektrodenoberflä chen, der durch das bei einer Auslenkung der beweglichen Elektrode in den flachen Bereich der Elektroden ein- bzw. aus diesem ausströmende Gas hervorgerufen wird, verrin gert werden. Daraus wird die Funktion zur Verringerung der Luftdämpfungskonstanten deutlich; hieraus ergibt sich eine Verbesserung des Ansprechverhaltens der beweglichen Elektrode auf die Beschleunigung.

Wenn die obenbeschriebenen Kerben zur Verringerung der Luftdämpfungskonstanten außerdem so angeordnet sind, daß die von den Kerben unterteilten Bereiche der Elektroden bezüglich der Mittellinie der beweglichen Elektrode sym metrisch angeordnet sind, sind die rechten und die linken Seiten der Elektroden insbesondere dann, wenn die bewegliche Elektrode von einem Ausleger unterstützt wird, in bezug auf ihre Gewichtsverteilung im wesentlichen aus geglichen. Außerdem können die Auswirkungen, die durch die Strömung des Gases von dem flachen Bereich der Elek trode durch die Kerben nach außen hervorgerufen werden, kompensiert werden. Eine einseitige Bewegung der Elek trode wird so verhindert, so daß nicht nur eine stabile Funktion, sondern auch die Wiederholbarkeit ausreichend gewährleistet werden können.

Wenn die obenbeschriebenen Kerben zur Verringerung der Luftdämpfungskonstanten so angeordnet werden, daß die durch die Kerben unterteilten Elektrodenbereiche in bezug auf ihre Gewichtsverteilung ausgeglichen sind, können trotz der Tatsache, daß die bewegliche Elektrode von Aus legern und Membranen und dergleichen von mehreren Seiten elastisch unterstützt ist, nicht nur eine stabile Funktion der beweglichen Elektrode, sondern auch wie im obigem Beispiel die Wiederholbarkeit ausreichend gewähr leistet werden.

Wenn der Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Er findung insbesondere auf ein System angewendet wird, das ein schnelles Ansprechen erfordert, z. B. ein Kraftfahr zeug-Airbagsystem, kann die Funktionsleistung des Systems verbessert werden. Obwohl insbesondere ein Airbagsystem ein Ansprechverhalten von mindestens 500-1 kHz erfordert, können solche Anforderungen erfindungsgemäß erfüllt wer den.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Neben- und Unteransprüchen, die sich auf be vorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung be ziehen, angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus führungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläu tert; es zeigen:

Fig. 1(a), (b) einen vertikalen Querschnitt des Beschle unigungsmessers vom kapazitiven Typ gemäß einer ersten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung bzw. eine Draufsicht von dessen beweglicher Elektrode;

Fig. 2 eine Draufsicht der innerhalb des Bes chleunigungsmessers vom kapazitiven Typ vorhandenen beweglichen Elektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 3 eine Draufsicht der innerhalb des Bes chleunigungsmessers vom kapazitiven Typ vorhandenen beweglichen Elektrode gemäß einer dritten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 4 eine Draufsicht der innerhalb des Bes chleunigungsmessers vom kapazitiven Typ vorhandenen beweglichen Elektrode gemäß einer vierten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 5 eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel der konkreten Spezifikation der beweglichen Elektrode in Fig. 2 angibt;

Fig. 6 eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel der konkreten Spezifikation der beweglichen Elektrode in Fig. 3 angibt;

Fig. 7 eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel der konkreten Spezifikation der beweglichen Elektrode in Fig. 4 angibt;

Fig. 8 eine Draufsicht, die eine Oberfläche der beweglichen Elektrode des Beschleunigun gsmessers vom kapazitiven Typ gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert;

Fig. 9 eine Draufsicht, die eine Oberfläche der beweglichen Elektrode des Beschleunigun gsmessers vom kapazitiven Typ gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert;

Fig. 10 eine Draufsicht, die eine Oberfläche der beweglichen Elektrode des Beschleunigun gsmessers vom kapazitiven Typ gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert;

Fig. 11 eine Draufsicht, die eine Oberfläche der beweglichen Elektrode des Beschleunigun gsmessers vom kapazitiven Typ gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert;

Fig. 12(a), (b) einen vertikalen Querschnitt bzw. eine Draufsicht des Beschleunigungsmessers vom kapazitiven Typ gemäß einer neunten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 eine erläuternde Zeichnung, die die Beziehung zwischen der festen und der be weglichen Elektrode des Beschleunigungs messers vom kapazitiven Typ gemäß einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 14 einen vertikalen Querschnitt, der einen Hauptbereich des Beschleunigungsmessers vom kapazitiven Typ gemäß einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung darstellt;

Fig. 15 einen vertikalen Querschnitt, der ein weiteres Beispiel für eine Grundplatten struktur mit integrierten Schichten für den erfindungsgemäßen Beschleunigungsmes ser vom kapazitiven Typ darstellt;

Fig. 16 einen vertikalen Querschnitt, der ein weiteres Beispiel für eine Grundplatten struktur mit integrierten Schichten für den erfindungsgemäßen Beschleunigungsmes ser vom kapazitiven Typ darstellt; und

Fig. 17 ein Diagramm, das den Gesamtaufbau eines Airbagsystems darstellt, welches eine mögliche Anwendung der vorliegenden Er findung bildet.

Die Fig. 1(a) und 1(b) zeigen einen Querschnitt eines ei ner ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechenden Beschleunigungsmessers vom kapazitiven Typ bzw. eine Draufsicht der darin verwendeten beweglichen Elektrode.

Wie in Fig. 1(a) gezeigt, besitzt der Beschleunigungsmes ser der vorliegenden Ausführungsform eine integrierte Konstruktion, die aus drei Trägermaterialien aufgebaut ist: ein Isolier-Substrat 1, ein Silizium-Substrat 2 und ein Isolier-Substrat 3. Für die Isolier-Trägersubstrate 1 und 3 wird z. B. Pylex-Glas verwendet. Die aus metalli schen Dünnfilmen bestehenden festen Elektroden 5 und 6 werden mittels eines Zerstäubungsverfahrens auf einer in neren Ebene des Pylex-Glases gebildet. Die Isolier- Substrate sind mit dem Silizium-Substrat anodisch verbunden.

Die bewegliche Elektrode der Flachplattenbauart 4 (Massebereich) und mindestens ein Ausleger 8 zur Unter stützung der beweglichen Elektrode 4 werden im Silizium- Substrat 2 mittels anisotropen Ätzens mit einer alkali schen Lösung hergestellt. Die bewegliche Elektrode 4 ist so angeordnet, daß sie den festen Elektroden 5 und 6 mit einem kleinen Spalt gegenüberliegt, der z. B. 1 bis 5 µm breit ist. Außerdem umfassen in dieser Ausführungsform beide Seiten der beweglichen Elektrode 4 Elektrodenober flächen, um eine Beschleunigung in der zur ebenen Oberfläche der beweglichen Elektrode vertikalen Richtung nachzuweisen. Die Kerben 7 zur Verringerung der Luftdämp fungskonstanten werden auf den beiden Seiten der Elek trode 4 durch Ätzen eingekerbt.

Die Kerbe 7 gemäß der vorliegenden Ausführungform besteht aus mehreren wie in einem Gittermuster unter einem rech ten Winkel sich kreuzenden Kerben, wobei die Enden der Kerbe nach allen Seiten (den vier Seitenwänden) der be weglichen Elektrode 4 offen sind, so daß eine Struktur entsteht, bei der die Kerben 7 mit dem Raum S außerhalb des flachen Bereiches zwischen der beweglichen Elektrode 4 und der festen Elektrode 5 und des flachen Bereiches zwischen der beweglichen Elektrode 4 und der festen Elek trode 6 durch die obenbeschriebenen Öffnungen miteinander verbunden sind.

Wenn auf den obenbeschriebenen Beschleunigungsmesser vom kapazitiven Typ eine Beschleunigung G einwirkt, wird die bewegliche Elektrode 4 aufgrund ihrer Trägheit in der der Beschleunigungsrichtung entgegengesetzten Richtung ausge lenkt, wobei als Reaktion auf diese Beschleunigung der Spalt zwischen der beweglichen und der festen Elektrode und folglich die Kapazität verändert werden. Der Grad der Beschleunigung kann durch die Erfassung der Kapazitätsän derung in Form elektrischer Signale festgestellt werden.

Außerdem kann die Gasströmung zwischen dem Raum zwischen der beweglichen Elektrode 4 und den festen Elektroden 5 und 6 und dem jeweiligen Außenraum S durch Verbesserung der Verbindung der Kerben 7 untereinander und der Öffnungen der jeweiligen Enden der Kerben 7 zum Raum S außerhalb des flachen Bereiches verbessert werden. Folg lich strömt das Gas im flachen Spalt in die nächsten Ker ben auf derjenigen Seite aus, auf der das Volumen des flachen Spaltes verringert ist, wenn die bewegliche Elek trode 4 ausgelenkt wird; dies geschieht in dem Maß, in dem die bewegliche Elektrode relativ zu den festen Elek troden 5 und 6 ausgelenkt wird. Das Gas strömt durch meh rere Kerben gleichmäßig nach außen in den äußeren Raum S. Andererseits strömt das Gas, das sich im äußeren Raum S auf der Seite befindet, auf der das Volumen des flachen Spaltes gemäß der Auslenkung der beweglichen Elektrode vergrößert wird, durch mehrere Kerben, die sich auf der Oberfläche der beweglichen Elektrode auf der Seite des größer werdenden flachen Spaltes befinden, gleichmäßig in den flachen Spalt ein. Dadurch können die entgegengesetzt zur Auslenkungsrichtung der beweglichen Elektrode wirkende Luftdämpfungskonstante kleiner gemacht und folg lich das Ansprechverhalten des Sensors verbessert werden.

Außerdem sind die Kerben 7 in der vorliegenden Ausfüh rungsform so angeordnet, daß sie den Bereich der bewegli chen Elektrode 4 gleichmäßig und symmetrisch in zwei Sei ten aufteilen. Dementsprechend verteilt sich die Masse der beweglichen Elektrode 4 gleichmäßig um den Schwer punkt, so daß sich die Kräfte der Gase, die aus den Öff nungen der der Außenseite des flachen Bereiches der Elek troden gegenüberliegenden Kerben 7 ausströmen, gegensei tig aufheben. Somit ist ein stabiler und ausgewogener Auslenk-Betrieb der beweglichen Elektrode gewährleistet, außerdem ist die Wiederholbarkeit, die für ein Meßinstru ment unerläßlich ist, vorteilhaft gegeben.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen weitere Beispiele (die zweite bis vierte Ausführungsform), bei denen die Oberfläche der be weglichen Elektrode 4 wie in Fig. 1 durch mehrere im rechten Winkel sich schneidende Kerben in mehrere Bereiche unterteilt ist.

In den vorliegenden Ausführungsformen wird das Ansprech verhalten des Sensors auf die Beschleunigung faktisch durch die Änderung der Ausmaße und der Anordnung der kon kreten Kerben bestimmt.

Beispiele für konkrete Spezifikationen der in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Kerben sind in den Fig. 5 bis 7 angege ben.

Zunächst sind die Kerben 7 gemäß der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungsform, die sich im rechten Winkel auf der Oberfläche der beweglichen Elektrode 4 kreuzen, so gebildet, daß die Oberfläche der Elektrode durch die Ker ben 7 in vier Bereiche unterteilt wird. Die Abmessungen der beweglichen Elektrode in der vorliegenden Ausfüh rungsform betragen in Längsrichtung 1,3 mm, in Breiten richtung 1,8 mm, bei einer Kerbenbreite von 200 µm und einer Kerbentiefe von 30 µm, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Das Verhältnis der Kerben 7 zu der beweglichen Elek trode 4 (Fläche der Kerben/Oberfläche der Elektrode) in der vorliegenden Ausführungsform beträgt ungefähr 25%. Wenn ein Sensor mit einer Spaltbreite von 3 µm zwischen der beweglichen un der festen Elektrode mittels des oben beschriebenen Silizium-Substrates mit Kerben hergestellt wird, beträgt die Grenzfrequenz in der Frequenzcharakte ristik des Sensors 900 Hz. Bei einem herkömmlichen Sensor ohne Kerben auf der festen oder der beweglichen Elektrode beträgt die Grenzfrequenz 180 Hz. Es wurde weiterhin er mittelt, daß der mit dem obigen Substrat ausgerüstete Sensor eine um den Faktor 5 kürzere Ansprechzeit als ein herkömmlicher Sensor besitzt. Dabei betrug die Dicke des Auslegers ca. 50 µm.

Wenn unter den Kerben 7, die auf der Oberfläche der be weglichen Elektrode 4 vorgesehen sind, die Anzahl der parallel zu einer Achse des Auslegers 8 verlaufenden Ker ben mit m bezeichnet wird, die Anzahl der diese im rech ten Winkel kreuzenden Kerben mit n und die Breite der Kerben mit W, so ergibt sich bei erhöhter Zahl der Kerben m und n eine schnellere Bewegung des Gases zwischen dem flachen Spalt zwischen den Elektroden und den Kerben 7 und damit eine kürzere Ansprechzeit.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen bil den Sensoren, die die obigen Eigenschaften besitzen. Ge mäß der in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsform ist die Oberfläche der beweglichen Elektrode 4 durch die Ker ben 7 in einem Gittermuster in zwölf Bereiche unterteilt. Gemäß der in Fig. 4 gezeigten vierten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche der beweglichen Elektrode 4 in 48 Bereiche unterteilt. Dies dient als Beispiel. Ein Beispiel für die Spezifikation der obenbeschriebenen be weglichen Elektrode 4 ist hinsichtlich der Abmessungen für die Länge und die Breite der Elektroden durch die Spezifikation der zweiten Ausführungsform gegeben. Die Breite der Kerben 7 in der dritten Ausführungsform (Fig. 3) beträgt 100 µm. Die von den Kerben 7 verschiedener Größe unterteilten Gebiete sind als Gemisch gegeben (in diesem Fall beträgt das Verhältnis der von den Kerben 7 benötigten Fläche zur Oberfläche der beweglichen Elek trode 4 29%). Die Breite der Kerbe 7 in der vierten Aus führungsform (Fig. 4) beträgt 40 µm. Die von den Kerben 7 verschiedener Größe unterteilten Gebiete sind als Ge misch gegeben (in diesem Fall beträgt das Verhältnis der von den Kerben 7 benötigten Fläche zu der Oberfläche der beweglichen Elektrode 4 28%). Sensoren mit einer Grenz frequenz von mehr als einem 1 kHz wurden wie bei der dritten und der vierten Ausführungsform durch eine Erhö hung der Anzahl der Kerben erzielt, wobei das Verhältnis der Fläche der Kerben 7 zu derjenigen der beweglichen Elektrode 4 fast dasselbe ist wie oben erwähnt.

Bei einem Sensor vom kapazitiven Typ ist eine genauere Messung mit größtmöglicher Kapazität möglich. Dementspre chend sollte der Bereich der Kerben, der zur Kapazität nicht viel beiträgt, möglichst klein sein. Die obenbe schriebenen Ergebnisse der zweiten und der vierten Aus führungform zeigen: je höher die Anzahl der Teilungen, d. h. je höher die Anzahl der Kerben, desto höher ist bei gleicher Fläche der Kerben 7 die Ansprechgeschwindigkeit.

Bei den obenbeschriebenen Ausführungsformen kann das An sprechvermögen auf die Beschleunigung verbessert werden, indem mehrere im rechten Winkel sich kreuzende Kerben ge bildet werden, was auf der Oberfläche der beweglichen Elektrode ein einfaches geometrisches Muster ergibt.

Die Fig. 8 bezieht sich auf die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt lediglich die Ober fläche der beweglichen Elektrode 4 eines Beschleunigungs messers vom kapazitiven Typ. Auf der Oberfläche der be weglichen Elektrode sind parallel zu einer Achse eines (nicht gezeigten) Auslegers mehrere Kerben 7-1 und mehre re Kerben 7-2, welche nebeneinanderliegende Kerben 7-1 verbinden, angeordnet, wobei sich die am nächsten an den einzelnen Seiten der beweglichen Elektrode 4 befindlichen Kerben sämtlich nach dieser jeweiligen Seite hin öffnen. Die Öffnungen sind so angeordnet, daß sie sich in den freien Raum des flachen Spaltes zwischen der beweglichen Elektrode und der festen Elektrode öffnen.

Fig. 9 zeigt lediglich die Oberfläche der beweglichen Elektrode 4, die eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Zwei Kerben 7-4 kreuzen einander in der Mitte der Elektrode, ferner bilden eine Mehrzahl von Kerben 7-3 eine Mehrzahl konzentrischer Kreise, deren Mittelpunkt der Kreuzungspunkt der Kerben 7-4 ist. Diese Kerben sind auf der Oberfläche der beweglichen Elektrode 4 angeordnet. Die konzentrischen Kreise 7-3 sind miteinander über die Kerben 7-4 verbun den, wobei sich die Enden der Kerben 7-4 nach vier Seiten der beweglichen Elektrode 4 hin öffnen und sich außen ge genüber dem flachen Spalt zwischen der beweglichen und der festen Elektrode befinden.

Mit den geometrisch angeordneten Kerben der beiden oben beschriebenen Ausführungsformen wird jeder beliebige Punkt in den Kerben nach außen zum flachen Spalt zwischen der beweglichen und der festen Elektrode über eine mit der Außenseite verbundene Kerbe verbunden. D. h., daß auf grund der glatten Verbindung der Kerben untereinander die Gasströmung vom Raum außerhalb des Spaltes in den flachen Spalt hinein und umgekehrt schnell erfolgen kann.

Außerdem sind die nach jeder Seite der beweglichen Elek trode hin offenen Kerben in jeder der obenbeschriebenen Ausführungsformen parallel oder rechtwinklig zur Achse des Auslegers orientiert. Eine gewisse Verringerung der Luftdämpfungskonstanten kann aber auch bei schräg zur Achse des Auslegers angeordneten Kerben festgestellt wer den.

Bei einem Aufbau, in dem eine bewegliche Elektrode von einem Ausleger an einer Seite unterstützt ist, wird die bewegliche Elektrode ausgelenkt, wobei die Basis des Aus legers als Unterstützungspunkt dient. Dementsprechend wird das Ausmaß der Auslenkung auf der Seite des Ausle gers geringer sein als am oberen Ende der beweglichen Elektrode (Endbereich auf der dem Ausleger gegenüberlie genden Seite), außerdem ist die Gasmenge im Spalt auf der Seite des Auslegers, die vom Spalt in den Raum außerhalb des flachen Spaltes strömt, bei einer Auslenkung der Elektrode kleiner als diejenige am oberen Ende der beweg lichen Elektrode. Deshalb beeinflußt der auslegerseitige Bereich der beweglichen Elektrode ohne die obenbeschrie benen Kerben zur Reduzierung der Luftdämpfungskonstanten die Ansprechzeit des Sensors nicht wesentlich.

Die in Fig. 10 und 11 gezeigten Ausführungsformen sind Beispiele für Kerben-Muster der beweglichen Elektrode 4 im Hinblick auf die obenbeschriebenen Merkmale.

In der in Fig. 10 gezeigten siebten Ausführungsform der Erfindung sind die Kerben 7 zur Verringerung der Luft dämpfungskonstanten auf nahezu der Hälfte (weniger als die Hälfte) desjenigen Bereiches nicht vorgesehen, der sich auf der Seite des Auslegers der beweglichen Elek trode 4 befindet. Die Kerben 7 sind jedoch auf der ver bleibenden halben Fläche (ein Bereich am oberen Ende der beweglichen Elektrode) vorgesehen. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Kerben in einer T-förmigen Kreu zung angeordnet, wobei jeder Endbereich der Kerben sich nach drei Seiten der beweglichen Elektrode 4 hin öffnet. Die Öffnungen befinden sich gegenüber dem Raum außerhalb des flachen Spaltes zwischen der beweglichen und der fe sten Elektrode.

In der in Fig. 11 gezeigten achten Ausführungsform sind wie in der siebten Ausführungsform eine Mehrzahl von im rechten Winkel sich kreuzenden Kerben auf ungefähr der halben Fläche (mehr als der Hälfte) im oberen Bereich der Oberfläche der beweglichen Elektrode 4 vorgesehen. Jeder Endbereich der Kerben 7 öffnet sich nach drei Seiten der beweglichen Elektrode 4.

Mit der siebten und der achten Ausführungsform werden folgende Vorteile erzielt:

Bei einem Sensor vom kapazitiven Typ wird ein möglichst großer Wert der Kapazität zwischen der beweglichen und der festen Elektrode bevorzugt, dementsprechend wird der Kerbenbereich, der zu einem kleinen Kapazitätswert bei trägt, so weit wie möglich verkleinert. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann ein Effekt zur Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit des Sensors bei geringerer Abnahme der Kapazität aufgrund der Anordnung der Kerben dadurch erzielt werden, daß der auf der beweglichen Elek trode 4 gebildete Bereich der Kerben 7 sinnvoll einge schränkt wird.

Die Fig. 12(a) und 12(b) sind ein vertikaler Querschnitt bzw. eine Draufsicht einer beweglichen Elektrode des Sen sors vom kapazitiven Typ gemäß einer neunten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung.

Gemäß dieser Ausführungsform sind auf der beweglichen Elektrode 4 eine Mehrzahl von sich kreuzenden Kerben ge bildet, wobei sich die Endbereiche einer jeden Kerbe 7 wie in den obenbeschriebenen anderen Ausführungsformen nach den Seiten der beweglichen Elektrode 4 hin öffnen. Außerdem sind an den Kreuzungspunkten der Kerben durch beide Seiten der beweglichen Elektrode 4 führende Durch gangsbohrungen 9 ausgebildet. Die Kerben 7 und die Durch gangsbohrungen 9 können durch Ätzen gleichzeitig herge stellt werden. Außerdem sind wie in der ersten Ausfüh rungsform an gegenüberliegenden kleinen Spalten auf bei den Seiten der beweglichen Elektrode 4 die gleichen fe sten (nicht gezeigten) Elektroden angeordnet.

Gemäß der neunten Ausführungsform strömt aus einem der zwei auf beiden Seiten der beweglichen Elektrode 4 vorge sehenen flachen Spalte Gas aus, wenn die bewegliche Elek trode aufgrund einer Beschleunigung ausgelenkt wird, und wird im Gegenzug im Spalt der anderen Seite aufgenommen. Der Kreuzungspunkt der Kerben 7 ist ein Bereich, in dem sich das aus vier Spalten ausströmende Gas vereinigt oder in dem sich das in vier Spalten aufgenommene Gas verei nigt. Durch die Ausbildung von Durchgangsbohrungen 9, die durch beide Seiten der beweglichen Elektrode 4 an den Kreuzungspunkten verlaufen, wird die Strömung des Gases "Spalt der einen Seite → Kerbe 7 → Durchgangsbohrung 9 → Kerbe 7 → Spalt der anderen Seite" schneller als wenn sich die Durchgangsbohrungen 9 an einer anderen Stelle befinden würden. Deshalb erfolgt das Eintreten und Aus lassen des Gases in und aus den Spalten zwischen der fe sten und der beweglichen Elektrode gemäß der Erfindung durch die Durchgangsbohrungen 9 zusätzlich zu den Öffnungen der Kerben 7 an den Seiten der Elektrode, so daß der Gastransport in den Spalt gleichmäßiger wird.

In der obenbeschriebenen Ausführungsform sind die Kerben 7 zur Reduzierung der Luftdämpfungskonstanten auf der Oberfläche der beweglichen Elektrode vorgesehen, es kann statt dessen jedoch auch die Oberfläche der festen Elek trode verwendet werden. Alternativ werden analog zu den anderen Ausführungsformen sowohl die bewegliche als auch die feste Elektrode zur Verringerung der Luftdämpfungs konstanten eingesetzt.

Fig. 13 zeigt eine Draufsicht der festen Elektroden 5 und 6, auf denen die Kerben 10 zur Reduzierung der Luftdämp fungskonstanten in einem Gittermuster angeordnet sind (zehnte Ausführungsform). Jeder Endbereich der Kerben 10 öffnet sich nach außen zu den flachen Bereichen zwischen der festen Elektrode 5 (6) und der beweglichen Elektrode, so daß durch den Spalt eine Gasaustauschwirkung zwischen den flachen Bereichen und dem Raum außerhalb des Spaltes erzielt wird.

Fig. 14 zeigt einen Teilschnitt eines Sensors (elfte Aus führungsform) mit Kerben auf beiden Elektrodenoberflächen der beweglichen Elektrode 4 und den festen Elektroden 5 und 6. In dem obenerwähnten Fall, in dem die Kerben 7 und 10 zur Verringerung der Luftdämpfungskonstanten auf bei den Elektroden vorgesehen sind, ist die Transportge schwindigkeit des Gases in die Elektrode hinein und aus ihr heraus höher als in dem Fall, in dem die Kerben 7 nur auf einer Elektrode vorgesehen sind. Somit wird der Vor teil der Verbesserung des Ansprechverhaltens verwirk licht. Wenn hierbei die Anordnung der Kerben auf der be weglichen Elektrode mit derjenigen auf den festen Elektroden 5 und 6 zusammenfällt, ist die Verringerung der Kapazität durch die Ausbildung der Kerben die gleiche wie bei einer Ausbildung der Kerben lediglich auf einer Elektrode.

In der elften Ausführungsform werden auf der Oberfläche der Isolier-Substrate 1 und 3, auf der die festen Elektroden 5 und 6 hergestellt werden sollen, vor der Herstellung derselben durch Eingravieren die Kerben 10 ausgebildet, anschließend wird ein als feste Elektrode dienender metallischer Dünnfilm ausgebildet. Jeder Endbe reich der Kerben 10 öffnet sich auf die gleiche Weise wie bei der zehnten Ausführungsform in den Raum außerhalb des flachen Bereiches zwischen der festen Elektrode 5 (6) und der beweglichen Elektrode.

Obwohl beispielhaft Sensoren, bei denen die bewegliche Elektrode von einem Ausleger unterstützt ist, in der obi gen Beschreibung verwendet wurden, sollen die Beispiele nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung dienen. Andere Konstruktionen, in denen die bewegliche Elektrode in mehr als zwei Richtungen elastisch unterstützt ist oder die bewegliche Elektrode von einem sie umgebenden Film der Elektrode anstelle eines Auslegers gehalten wird, zeigen, daß ein einziger oder mehrere Ausleger vor handen sein können.

Die obenbeschriebenen Verfahren zur Verbesserung des An sprechverhaltens auf eine Beschleunigung sind nicht nur auf Beschleunigungsmesser vom kapazitiven Typ mit dem Aufbau Isolier-Substrat 1 - Silizium-Substrat 2 - Isolier-Substrat 3, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, beschränkt. Anstelle der bisher beschriebenen Isolier- Substrate 1 und 3 sind in Fig. 15 die Substrate 1' und 3' auf den Seiten der festen Elektroden 5 bzw. 6 aus einem Substrat aufgebaut, das durch die Übereinanderschichtung eines Silizium-Substrates 20 und eines Isolier-Substrates 21, z. B. eines Siliziumoxidfilms, gebildet ist (in diesem Fall dient das Substrat 1' selbst als zusätzliche feste Elektrode 5 bzw. 6). Außerdem können die Substrate 1' und 3' auf der Seite der festen Elektroden 5 und 6 Glas um fassen (das Isolier-Substrat 21/das Silizium-Substrat 20, wie in Fig. 16 gezeigt). In den obenbeschriebenen Fällen können der Siliziumoxidfilm/das Silizium-Substrat und das mittige Silizium-Substrat 2 (die bewegliche Elektrode 4 und der Ausleger 8 sind damit versehen) bei Temperatu ren über 1000°C direkt verbunden werden. Wenn das in Fig. 16 gezeigte Glas-/Silizium-Substrat verwendet wird, kann dieses an das mittige Silizium-Substrat 2 mittels anodischer Bindung mit Glas angeheftet werden.

Die obenbeschriebenen Beschleunigungsmesser vom kapaziti ven Typ mit Kerben zur Verringerung der Luftdämpfungskon stanten auf der Oberfläche der Elektroden sind am besten für Anwendungen geeignet, bei denen eine kurze Ansprech zeit erforderlich ist, z. B. bei einem einen Zusammenstoß erfassenden Sensor in einem Airbagsystem eines Kraftfahr zeugs.

Fig. 17 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Beispiels des Airbagsystems, das eine Anwendung der vorliegenden Erfindung darstellt. Im vorliegenden System sind eine Einrichtung, mit der die Beschleunigung bei einem Autounfall durch die Änderung der Kapazität zwischen der beweglichen Elektrode 4, deren Oberfläche zur Verringe rung der Luftdämpfungskonstanten durch Kerben 7 in eine Mehrzahl von Bereichen unterteilt ist, und der festen Elektrode 5 (oder der festen Elektrode 6), die sich gege nüber der beweglichen Elektrode 4 befindet, festgestellt wird, und ein Airbag, der abhängig von der Änderung der Kapazität betätigt wird, vorgesehen.

Das bedeutet, daß das Zusammenstoß-Erfassungsgerät 30, das die festen Elektroden 5 und 6 und die gegenüber den festen Elektroden 5 und 6 elastisch unterstützte, bewegliche Elektrode 4 mit der Verringerung der Luftdämp fungskonstanten dienenden Kerben 7 umfaßt, in einem Teil des Autos installiert ist. Beim Einbau des Erfassungsgerä tes 30 kann sich die Stellung der beweglichen Elektrode 4 in Längsrichtung des Fahrzeugs verändern, um so eine Kol lisionsbeschleunigung zu erfassen. Die Kerben 7 sind in jeder der obigen Ausführungsformen oder in anderen Aus führungsformen, in denen wichtige Teile zu einer der obenerwähnten Ausführungsformen ähnlich sind, vorhanden.

Nun wird ein System beschrieben, in dem die Änderung der Kapazität zwischen der Elektrode 4 mit Kerben und der an deren Elektrode 5 (oder 6) über die Beschleunigungserfas sungschaltung 31 in ein Beschleunigungssignal umgewandelt und in einen Mikrocomputer 33 eingegeben wird. Der Microcomputer 33 besitzt eine Schaltung zur Beurteilung, ob das Beschleunigungssignal von einer Kollision erzeugt wurde. Das System umfaßt weiterhin den Airbag 34, der entsprechend dem Kollisionsbeurteilungssignal vom Microcomputer 33 betätigt wird. Das Bezugszeichen 35 be zeichnet einen Beschleunigungsschalter zur Steuerung der Verbindung der Schaltungen in Abhängigkeit vom Beschleu nigungswert. Das Bezugszeichen 32 bezeichnet eine Lei stungsquelle. Wenn eine Kollision auftritt, wird der Air bag 34 aufgrund einer UND-Logik des auf das Signal der Beschleunigungserfassung sich beziehenden Signals vom Microcomputer 33 und eines Signals vom Beschleunigungs schalter 35 betätigt. Die Rolle des Beschleunigungsschal ters 35 besteht darin, die Zuverlässigkeit der Funktion des Systems zu erhöhen. Der Beschleunigungsmesser, der in dem obigen Airbagsystem verwendet wird, ist vom Typ mit offener Schleife.

Die vorliegende Erfindung wird in einer einen Beschleuni gungsmesser betreffenden Technologie angewendet, sie ist aber auch auf andere Mikrosensoren anwendbar, bei denen ein fester Bereich und ein beweglicher Bereich oder ein Paar von beweglichen Bereichen vorgesehen sind und die Breite des Spaltes zwischen den flachen Bereichen des fe sten und des beweglichen oder der beweglichen Bereiche sich mit der Bewegung des beweglichen Bereiches verän dert, wie dies z. B. bei einem Drucksensor vom kapazitiven Typ der Fall ist. Außerdem ist die vorliegende Erfindung auf Mikrobetätiger anwendbar, um z. B. die Ansprechge schwindigkeit eines Mikroventiles beim Schließen und Öff nen zu erhöhen. Im obigen Fall werden entweder nur Kerben oder Kerben und die Verbindung zum äußeren Bereich her stellende Durchgangsbohrungen in einem Teil des flachen Bereiches ausgebildet.

Erfindungsgemäß kann die Ansprechgeschwindigkeit von Be schleunigungsmessern durch die Schaffung von Kerben zur Verringerung der Luftdämpfungskonstanten auf der festen und/oder der beweglichen Elektrode verbessert werden. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf ein schnelles Ansprechen erfordernde Beschleunigungsmesser (Kollisions sensoren) anwendbar, wie sie etwa bei einem Airbagsystem zum Einsatz kommen.

Claims

1. Kapazitiver Beschleunigungssensor mit

1. einer festen Elektrode (5, 6)
2. einer beweglichen Elektrode (4), die zwischen der fe sten Elektrode derart gehalten ist, daß zwischen ihr und der festen Elektrode (5, 6) ein Spalt vorgesehen ist, welcher entsprechend einer durch eine Beschleu nigung verursachten Auslenkung der beweglichen Elek trode (4) ausgebildet ist, und
3. zumindest einer Vertiefung in der beweglichen Elek trode (4), und
4. einem elastischen Ausleger (8), der die bewegliche Elektrode (4) hält,

dadurch gekennzeichnet, daß

1. die Vertiefung als Nut (7) ausgebildet ist, die sich in den freien Raum zwischen der beweglichen Elektrode (4) und der festen Elektrode (5, 6) erstreckt und de ren freie Enden sich in den jeweiligen Außenraum S außerhalb dem flachen Bereich zwischen den Elektroden (4, 5, 6) erstrecken.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei feste Elektroden (5, 6) vorgesehen sind und zwi schen den festen Elektroden (5, 6) die bewegliche Elek trode (4) angeordnet ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem elastischen Ausleger (8) ein wei terer Ausleger vorgesehen ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Nut (7) symmetrisch bezüglich ei ner Symmetrieachse angeordnet ist, die parallel zu dem Ausleger (8) verläuft.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Nuten (7) miteinander in Verbin dung stehen.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Nuten (7) keine strömungshemmende Verjüngungen aufweisen.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Nuten (7) auf beiden Seiten der beweglichen Elektrode (4) angeordnet sind.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß sich die Nuten (7) in alle vier End bereiche der beweglichen Elektrode (4) öffnen.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß Durchgangsbohrungen (9) in der beweg lichen Elektrode (4) vorgesehen sind, wobei die Durch gangsbohrungen (9) an Kreuzungspunkte der Nuten (7) an geordnet sind.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die bewegliche Elektrode (4), der Ausleger (8), die Nut (7) und/oder die Durchgangsboh rung (9) durch anisotropes Ätzen eines Siliziumsub strats gebildet sind.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate durch anodische Bindung aneinandergeket tet sind.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die feste Elektrode (5, 6) auf einem Glassubstrat gebildet ist.

13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die feste Elektrode (5, 6) auf einem Silizium/Glas- Schichtsubstrat gebildet ist.

14. Verwendung des kapazitiven Beschleunigungssensors nach einem der vorangehenden Ansprüche für ein Airbag-System in Kraftfahrzeugen.