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WO1992014161A1 - Capacitive acceleration sensor - Google Patents

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Publication number
WO1992014161A1
WO1992014161A1 PCT/DE1992/000041 DE9200041W WO9214161A1 WO 1992014161 A1 WO1992014161 A1 WO 1992014161A1 DE 9200041 W DE9200041 W DE 9200041W WO 9214161 A1 WO9214161 A1 WO 9214161A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plate
seismic mass
sensor
central
sensor according
Prior art date
Application number
PCT/DE1992/000041
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Erich Zabler
Botho Ziegenbein
Richard Muehlheim
Martin Holland
Bernd Maihoefer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO1992014161A1 publication Critical patent/WO1992014161A1/en

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0862—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with particular means being integrated into a MEMS accelerometer structure for providing particular additional functionalities to those of a spring mass system
    • G01P2015/0882—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with particular means being integrated into a MEMS accelerometer structure for providing particular additional functionalities to those of a spring mass system for providing damping of vibrations

Definitions

  • the invention is based on an acceleration sensor according to the main claim.
  • An acceleration sensor is described in DE-OS 38 14 950, the housing of which is made from individual layers of ceramic material. This material also contains a seismic mass which is arranged in the sensor housing and is suspended on bending springs and on the top and bottom of which strain-sensitive sensor resistors are applied using thick-film technology.
  • This document also describes two standard thick-film processes, the greensheet technology and the glazing or gluing of finished sintered ceramic molded parts, for the construction of the sensor housing.
  • the printing of circuit elements, such as resistors or conductor tracks, in thick-film technology is also known from this document.
  • the acceleration sensor according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that occurring Accelerations are detected as changes in capacitance and are converted into an acceleration-proportional signal by a suitable electronic evaluation circuit. Because of the very sensitive capacitive evaluation, a large measuring effect can be achieved on the one hand; on the other hand, a large natural resonance frequency can be set via the stiffness of the spiral springs on which the seismic mass is suspended, which leads to a large measuring bandwidth for accelerations.
  • a suitable damping of the system for example aperiodically, is achieved by a medium located between the plates, such as preferably dry air. The degree of damping is also set via the pressure of the enclosed medium, the damping increasing with the pressure.
  • a further advantage of the sensor according to the invention is that all mechanical components and a large part of the electronic circuit required for recording and evaluating the measurement signal can be produced simply using standard thick-film technology and thus relatively inexpensively.
  • the hybrid integrability of sensor and evaluation circuit leads to interference-insensitive signal evaluation. It is advantageous in this context that the sensor housing and all mechanical components are made of the same material, so that interference from mechanical deformation of the sensor housing, in particular from temperature influences, is largely avoided. This also leads to good long-term stability of the sensor.
  • the senor according to the invention has an encapsulated structure and is therefore relatively insensitive to contamination.
  • the housing also serves as overload protection for the seismic mass suspended from the flexible springs, since it is a mechanical one Limits the deflections when accelerations are too high and against lateral accelerations. This prevents damage to the spiral springs, in particular breakage.
  • FIG. 1 shows the perspective representation of the layers forming the sensor structure before assembly and FIG. 2 shows the section through a sensor.
  • FIG. 1 shows the basic structure of an acceleration sensor according to the invention, which has a base plate 10, a middle plate 20 and a cover plate 30.
  • the plates 10, 20 and 30 are made of a ceramic material, for example sintered ceramic molded parts.
  • the thickness of the base plate 10 and the cover plate 30 is in the range of 630 ⁇ m.
  • the middle plate 20 is made much thinner; its thickness is approximately 250 ⁇ m.
  • a seismic mass 25 suspended from bending springs 26 is structured from the middle plate 20 in a central region.
  • the seismic mass 25 in this example is disc-shaped, round, but it can also have any other suitable shape.
  • the bending beams 26 are arranged spirally around the seismic mass 25. This special embodiment enables relatively large deflections of the seismic mass 25 perpendicular to the layer planes.
  • the geometry of the spiral springs can be selected depending on the field of application and the desired rigidity of the suspension of the seismic mass 25.
  • the seismic mass 25 has through holes 27.
  • the gas exchange between the top and bottom of the seismic mass 25 can be varied by the number, the distance and the size of the bores 27 and thus the damping of the seismic mass 25 in the closed sensor cavity can be set within wide limits.
  • the structuring of the middle plate 20 can be produced by laser cuts or other suitable structuring methods. Electrodes 21 and 22 are applied to the top and bottom of seismic mass 25, of which only electrode 22 is shown in FIG. 1. Opposite the center electrodes 21 and 22, electrodes 12 and 32 are arranged on the base plate 10 and on the cover plate 30, respectively. 13 denotes a glass thick layer applied in a structured manner to the base plate 10.
  • a corresponding glass thick layer 33 (not shown in FIG. 1) is applied to the surface of the cover plate 30 facing the central plate 20.
  • the base plate 10, the middle plate 20 and the cover plate 30 are glazed together via the thick glass layers 13 and 33. Due to the special structuring of the glass thick layers 13 and 33, ie through the recesses in the glass thick layers 13 and 33 in the area of the electrodes 12, 21, 22 and 32 and the bending springs 26, a void is formed around the seismic mass 25 and the bending springs 26 when the plates 10, 20 and 30 are glazed.
  • Other suitable thick layers can also be used as the connecting thick layers 13 and 33.
  • the sensor element is constructed using thick-film technology, it makes sense to apply the electrodes 12, 21, 22 and 32 likewise using thick-film technology, ie by means of thick-film pastes applied in a structured manner using screen printing and then firing.
  • the electrodes 12 and 21 and 22 and 32 form a differential capacitor arrangement. If an acceleration acts on the seismic mass 25 perpendicular to the layer planes, then this is deflected perpendicular to the layer planes. As a result, the capacitances of the capacitors C1, C2 formed by the electrodes 12 and 21 and the electrodes 22 and 32 are changed in opposite directions. This increases the measuring effect.
  • the through bores 27 in the seismic mass 25 also reduce the damping which the seismic mass experiences due to a damping fluid enclosed in the sensor cavity, which in the simplest case is air.
  • the changes in capacitance of Cl and C2 can be converted into an acceleration-proportional signal by means of a suitable electronic evaluation circuit.
  • FIG. 2 illustrates the multilayer thick-film structure of the sensor.
  • the distances from the base plate 10 to the central plate 20 and the cover plate 30 to the central plate 20 are chosen to be the same. These distances are defined by the thickness of the glass thick layers 13 and 33.
  • FIG. 2 also illustrates that the sensor cavity formed by the recesses in the thick layers 13 and 33 is formed by the central plate 20 or by the seismic mass 25 structured from the central plate and the Bending springs 26, is divided into a subspace above the seismic mass 25 and a second subspace below the seismic mass 25. Both through the areas between the spiral springs 26 and through The bores 27 in the seismic mass 25 make it possible to exchange damping fluid between the first and the second subspace of the sensor cavity.
  • a contacting of the electrode 32 is designated by 42.
  • the electrodes 12, 21, 22 and 32 can be contacted by means of contacting material introduced into bores in the ceramic plates 10, 20 and 30.
  • Parts of the evaluation circuit 41 are also applied to the sensor housing. This also makes sense in thick-film technology.
  • the circuit arrangement of the sensor element as a differential capacitor is shown schematically.
  • the capacitance C1 between points 1 and 2 can be detected and the capacitance C2 between points 2 and 3.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

The proposal is for a sensor for measuring acceleration comprising several layers of ceramic components on the thick-film system. The sensor structure has a base plate (10), a central plate (20) and a cover plate (30) fitted at defined distances from one another so as to leave a sensor space between the base and cover plates. A disc-shaped seismic mass (25) suspended on springs (26) is constructed from the central plate (20). At least one central electrode (21, 22) is applied to at least one surface of the seismic mass (25). Opposite this/these central electrode/s (21, 22) on the surfaces of the base plate (10) and/or the cover plate (30) is fitted at least one further electrode which forms at least one plate capacitor (C1, C2) together with the central electrode/s (21, 22). The movement of the seismic mass (25) is detected as a change in the capacitance of this/these capacitor/s.

Description

Kapazitiver BeschleuniσunσssensorCapacitive acceleration sensor
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor nach der Gat¬ tung des Hauptanspruchs.The invention is based on an acceleration sensor according to the main claim.
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.An acceleration sensor is described in DE-OS 38 14 950, the housing of which is made from individual layers of ceramic material. This material also contains a seismic mass which is arranged in the sensor housing and is suspended on bending springs and on the top and bottom of which strain-sensitive sensor resistors are applied using thick-film technology. This document also describes two standard thick-film processes, the greensheet technology and the glazing or gluing of finished sintered ceramic molded parts, for the construction of the sensor housing. The printing of circuit elements, such as resistors or conductor tracks, in thick-film technology is also known from this document.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
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 Querbeschleunigungen darstellt. Eine Beschädigung der Biegefedern, insbesondere ein Bruch, wird dadurch verhindert.The acceleration sensor according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that occurring Accelerations are detected as changes in capacitance and are converted into an acceleration-proportional signal by a suitable electronic evaluation circuit. Because of the very sensitive capacitive evaluation, a large measuring effect can be achieved on the one hand; on the other hand, a large natural resonance frequency can be set via the stiffness of the spiral springs on which the seismic mass is suspended, which leads to a large measuring bandwidth for accelerations. A suitable damping of the system, for example aperiodically, is achieved by a medium located between the plates, such as preferably dry air. The degree of damping is also set via the pressure of the enclosed medium, the damping increasing with the pressure. It is also advantageous if the encapsulation of the sensor takes place at ambient pressure, possibly at high temperatures, so that no separate evacuation or filling is required. Air damping has only a low temperature response and additionally offers overload protection against impacts. A further advantage of the sensor according to the invention is that all mechanical components and a large part of the electronic circuit required for recording and evaluating the measurement signal can be produced simply using standard thick-film technology and thus relatively inexpensively. The hybrid integrability of sensor and evaluation circuit leads to interference-insensitive signal evaluation. It is advantageous in this context that the sensor housing and all mechanical components are made of the same material, so that interference from mechanical deformation of the sensor housing, in particular from temperature influences, is largely avoided. This also leads to good long-term stability of the sensor. Another advantage is that the sensor according to the invention has an encapsulated structure and is therefore relatively insensitive to contamination. At the same time, the housing also serves as overload protection for the seismic mass suspended from the flexible springs, since it is a mechanical one Limits the deflections when accelerations are too high and against lateral accelerations. This prevents damage to the spiral springs, in particular breakage.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Maßnahmen möglich.The measures listed in the subclaims allow advantageous further developments and improvements of the measures specified in the main claim.
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 beeinflu߬ bar ist. Die Dämpfung des schwingungsfähigen mechanischen Systems ist über den Abstand und die Größe der Durchgangsbohrungen in weiten Grenzen variierbar.With the aid of a differential capacitor arrangement, amplification and linearization of the measurement signal can be achieved in a simple and advantageous manner. With a spiral configuration of the spiral springs, the spring constant and thus the sensitivity of the sensor can advantageously be varied. The configuration of the seismic mass with through bores proves to be particularly advantageous, since the gas exchange in the sensor cavity can thereby be influenced. The damping of the vibratory mechanical system can be varied within wide limits via the distance and the size of the through holes.
Zeichnungdrawing
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Figur 1 die perspektivische Darstellung der den Sensoraufbau bilden¬ den Schichten vor dem Zusammensetzen und Figur 2 den Schnitt durch einen Sensor.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. FIG. 1 shows the perspective representation of the layers forming the sensor structure before assembly and FIG. 2 shows the section through a sensor.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments
In Figur 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 um. Die Mittelplatte 20 ist wesentlich dünner ausgebildet; ihre Dicke beträgt ungefähr 250 um. 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 Figur 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 Figur 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.FIG. 1 shows the basic structure of an acceleration sensor according to the invention, which has a base plate 10, a middle plate 20 and a cover plate 30. The plates 10, 20 and 30 are made of a ceramic material, for example sintered ceramic molded parts. The thickness of the base plate 10 and the cover plate 30 is in the range of 630 µm. The middle plate 20 is made much thinner; its thickness is approximately 250 µm. A seismic mass 25 suspended from bending springs 26 is structured from the middle plate 20 in a central region. The seismic mass 25 in this example is disc-shaped, round, but it can also have any other suitable shape. The bending beams 26 are arranged spirally around the seismic mass 25. This special embodiment enables relatively large deflections of the seismic mass 25 perpendicular to the layer planes. The geometry of the spiral springs can be selected depending on the field of application and the desired rigidity of the suspension of the seismic mass 25. The seismic mass 25 has through holes 27. The gas exchange between the top and bottom of the seismic mass 25 can be varied by the number, the distance and the size of the bores 27 and thus the damping of the seismic mass 25 in the closed sensor cavity can be set within wide limits. The structuring of the middle plate 20 can be produced by laser cuts or other suitable structuring methods. Electrodes 21 and 22 are applied to the top and bottom of seismic mass 25, of which only electrode 22 is shown in FIG. 1. Opposite the center electrodes 21 and 22, electrodes 12 and 32 are arranged on the base plate 10 and on the cover plate 30, respectively. 13 denotes a glass thick layer applied in a structured manner to the base plate 10. A corresponding glass thick layer 33 (not shown in FIG. 1) is applied to the surface of the cover plate 30 facing the central plate 20. The base plate 10, the middle plate 20 and the cover plate 30 are glazed together via the thick glass layers 13 and 33. Due to the special structuring of the glass thick layers 13 and 33, ie through the recesses in the glass thick layers 13 and 33 in the area of the electrodes 12, 21, 22 and 32 and the bending springs 26, a void is formed around the seismic mass 25 and the bending springs 26 when the plates 10, 20 and 30 are glazed. Other suitable thick layers can also be used as the connecting thick layers 13 and 33. When the sensor element is constructed using thick-film technology, it makes sense to apply the electrodes 12, 21, 22 and 32 likewise using thick-film technology, ie by means of thick-film pastes applied in a structured manner using screen printing and then firing.
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 Cl, C2 gegenläufig verändert. Dadurch wird der Me߬ 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 Cl und C2 können durch eine geeignete elektronische Auswerteschaltung in ein beschleunigungsproportionales Signal umgesetzt werden.The electrodes 12 and 21 and 22 and 32 form a differential capacitor arrangement. If an acceleration acts on the seismic mass 25 perpendicular to the layer planes, then this is deflected perpendicular to the layer planes. As a result, the capacitances of the capacitors C1, C2 formed by the electrodes 12 and 21 and the electrodes 22 and 32 are changed in opposite directions. This increases the measuring effect. The through bores 27 in the seismic mass 25 also reduce the damping which the seismic mass experiences due to a damping fluid enclosed in the sensor cavity, which in the simplest case is air. The changes in capacitance of Cl and C2 can be converted into an acceleration-proportional signal by means of a suitable electronic evaluation circuit.
Figur 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. Figur 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.Figure 2 illustrates the multilayer thick-film structure of the sensor. In this exemplary embodiment, the distances from the base plate 10 to the central plate 20 and the cover plate 30 to the central plate 20 are chosen to be the same. These distances are defined by the thickness of the glass thick layers 13 and 33. FIG. 2 also illustrates that the sensor cavity formed by the recesses in the thick layers 13 and 33 is formed by the central plate 20 or by the seismic mass 25 structured from the central plate and the Bending springs 26, is divided into a subspace above the seismic mass 25 and a second subspace below the seismic mass 25. Both through the areas between the spiral springs 26 and through The bores 27 in the seismic mass 25 make it possible to exchange damping fluid between the first and the second subspace of the sensor cavity. A contacting of the electrode 32 is designated by 42. The electrodes 12, 21, 22 and 32 can be contacted by means of contacting material introduced into bores in the ceramic plates 10, 20 and 30. Parts of the evaluation circuit 41 are also applied to the sensor housing. This also makes sense in thick-film technology.
Neben der Schnittzeichnung des Sensors in Figur 2 ist die Schal¬ tungsanordnung des Sensorelementes als Differentialkondensator schematisch dargestellt. So läßt sich die Kapazität Cl zwischen den Punkten 1 und 2 erfassen und die Kapazität C2 zwischen den Punkten 2 und 3. In addition to the sectional drawing of the sensor in FIG. 2, the circuit arrangement of the sensor element as a differential capacitor is shown schematically. The capacitance C1 between points 1 and 2 can be detected and the capacitance C2 between points 2 and 3.

Claims

Ansprüche Expectations
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,1. A sensor for measuring accelerations, which is composed of several layers of ceramic components using thick-film technology, with at least one sensor cavity in which a disk-shaped seismic mass is suspended from spiral springs, and with means for detecting deflections of the seismic mass perpendicular to the layer planes of the sensor structure, characterized thereby,
- daß der Sensoraufbau eine Grundplatte (10), eine Mittelplatte (20) und eine Deckplatte (30) aufweist, die in definierten Abständen zueinander aufeinander aufgebracht sind,- That the sensor structure has a base plate (10), a central plate (20) and a cover plate (30) which are applied to one another at defined intervals,
- daß die seismische Masse (25) und die Biegefedern (26) aus der Mittelplatte (20) strukturiert sind,- That the seismic mass (25) and the spiral springs (26) from the central plate (20) are structured,
- 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 (C , C_) bildet, und daß Auslenkungen der seismischen Masse (25) als Kapazitäts¬ änderungen des mindestens einen Kondensators (C , C ) erfaßt werden. - That at least one central electrode (21, 22) is applied to at least one surface of the seismic mass (25) facing the base plate (10) and / or the cover plate (30), that on the at least one central electrode (21, 22 ) facing surface of the base plate (10) and / or the cover plate (30) at least one further electrode (12, 32) is applied, which together with the at least one central electrode (21, 22) at least one plate capacitor (C, C_) forms, and that deflections of the seismic mass (25) are detected as changes in capacitance of the at least one capacitor (C, C).
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2. Sensor according to claim 1, characterized in
- 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.- That at least two center electrodes (21, 22) arranged on both sides of the seismic mass together with the further electrodes (12, 32) arranged opposite them on the base plate (10) and the cover plate (30) form a differential capacitor arrangement.
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.3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the central electrode (21, 22), the further electrodes (12, 32) and the contacts of the electrodes (12, 21, 22, 32) by the method applied in Siebdruck¬ and fired thick-film pastes are then realized and that parts of the evaluation circuit (41) are arranged on the sensor structure.
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.4. Sensor according to any one of the preceding claims, characterized gekenn¬ characterized in that the seismic mass (25) on spiral in the plane of the central plate (20) formed spiral springs (26) is suspended.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die seismische Masse (25) Durchgangsbohrungen (27) aufweist.5. Sensor according to one of the preceding claims, characterized gekenn¬ characterized in that the seismic mass (25) has through bores (27).
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Mittelplatte (20) durch Laserschnitte struktu¬ riert ist.6. Sensor according to any one of the preceding claims, characterized gekenn¬ characterized in that the middle plate (20) is structured by laser cuts.
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.7. Sensor according to any one of the preceding claims, characterized gekenn¬ characterized in that the base plate (10) with the central plate (20) and the central plate (20) with the cover plate (30) via screen printing structured thick layers (13, 33), preferably glass thick layers, are connected, the thickness of the thick layers (13, 33) being the distance between the base plate (10) and the central plate (20) and between the central plate (20) and the cover plate (30) and the sensor cavity is formed by the absence of the thick layers (13, 33) in the region of the electrodes (12, 21, 22, 32) and the bending springs (26).
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).8. Sensor according to one of the preceding claims, characterized gekenn¬ characterized in that the distance between the base plate (10) and the central plate (20) is the same size as the distance between the central plate (20) and the cover plate (30).
9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß sich in dem Sensorhohlräum ein Dämpfungsfluid, vor¬ zugsweise Luft, befindet. 9. Sensor according to one of the preceding claims, characterized gekenn¬ characterized in that there is a damping fluid, preferably air, in the sensor cavity.
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