Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungsensor nach der Gat¬ tung des Hauptanspruches und einem Verfahren zur Herstellung von Beschleunigungssensoren nach Anspruch 13. Aus der DE 29 23 029 sind bereits Beschleunigungssensoren bekannt, bei denen durch die Aus¬ lenkung eines Feder-Masse-Systems ein elektrischer Kontakt geschlos¬ sen wird. Dabei ist die Auslenkung des Feder-Masse-Systems linear zur Beschleunigung. Die Bewegung des Feder-Masse-Systems wird gedämpft, um das Schaltverhalten des Sensors zu verbessern. Verfah¬ ren zur Herstellung von Sensoren sind bereits aus der DE 37 27 142 bekannt. Dabei wird eine KunststoffSchicht durch eine Maske mit Röntgenstrahlung bestrahlt, die bestrahlten Bereiche werden heraus¬ gelöst und die so entstandene Negativform der Sensoren wird galva¬ nisch mit einem Metall aufgefüllt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Feder-Masse-Sy- stem des Sensors erst beim Überschreiten eines vorgegebenen Be¬ schleunigungswertes ausgelenkt wird. Dies ermöglicht eine besonders

einfache Auswertung des Sensorsignals. Als weiterer Vorteil ist an _¬ zusehen, daß der Kontaktschluß besonders sicher und mit nur geringem Prellen erfolgt. Über den erfindungsgemäßen Sensor können daher auch große Ströme fließen. Weiterhin sind mechanische Feder-Masse-Systeme besonders unempfindlich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch beschriebenen Sensors möglich. Besonders einfach wird das Feder- Masse-System und die Kontakte auf einem isolierenden, plattenför- migen Substrat erzeugt. Durch die vorwiegend senkrecht zum Substrat orientierten Wände der Metallstrukturen sind die Abstände der Sen¬ sorstrukturen untereinander exakt definiert. Durch die Ausführung der Kontaktpunkte aus einem weiteren Material wird der Widerstand des Kontaktes verringert. Die Eigenschaften von Federn, die als Biegebalken ausgebildet sind, sind besonders einfach berechenbar. Das gewünschte nichtlineare Schaltverhalten des Feder-Masse-Systems wird mit Federn realisiert, die eine leichte Krümmung aufweisen. Das gleiche Schaltverhalten zeigen Federn, die gerade sind, aber nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Mit dem geringsten Aufwand lassen sich, die Sensoren mit einer seismischen Masse zwischen zwei Lagerblöcken und jeweils einer Feder zwischen den Lagerblöcken und der seismischen Masse realisieren. Durch die Hinzufügung von elek¬ trostatischen Aktoren können die Sensoren durch Anlegen einer Span¬ nung willkürlich geschaltet werden. Die Sensoren werden auf diese Weise auf ihre Funktion untersucht. Eine besonders einfache Ausfüh¬ rung der elektrostatischen Aktoren besteht aus kammförmigen, inein¬ ander liegenden Elektroden. Durch die Ausbildung eines geringen Spaltes zwischen dem Feder-Masse-System und dem Kontaktblock wird die Dämpfung und so das dynamische Verhalten der Sensoren beein¬ flußt. Durch zusätzliche Entlüftungsschlitze wird die Dämpfung ein¬ gestellt. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Kontaktblock und seismische Masse wird die Empfindlichkeit der Sen¬ soren beeinflußt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Sensoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 13 hat den Vorteil, daß die Sensoren mit geringen Fertigungstoleranzen hergestellt werden. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß das offenbarte Verfahren eine parallele Herstellung einer Vielzahl von Sensoren erlaubt und so die Herstellungskosten für den einzelnen Sensor gesenkt werden. Die Her _¬ stellung der Sensoren durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlung ist wegen des geringeren Aufwandes bei kleinen Serien vorteilhaft. Bei der Massenherstellung ist die Abformung von KunststoffStrukturen kostengünstiger. Durch die Anwendung zusätzlicher Röntgenbestrah- lungen können Metallstrukturen aus verschiedenen Materialien herge¬ stellt werden.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen erfindungsgemäßen Sensor in der Ausgangslage, Figur 2 einen Sensor in der Auslenkungslage, Figur 3 einen Sensor mit geraden Biegefedern, Figur 4 die Kontaktpunkte, Figur 5 einen Sensor mit zusätzlichen Aktoren, Figur 6 einen Sensor mit besonderer Ausführung des Kontaktblockes, Figur 7 ein Detail des Spaltes zwischen Kontaktblock und seismischer Masse, Figur 8 und 9 die Her¬ stellung des Sensors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 und Figur 2 ist mit 1 das Feder-Masse-System, bestehend aus zwei Federn 2 und einer seismischen Masse 3 bezeichnet. Die seismische Masse 3 ist durch die Federn 2 an den Lagerblöcken 7 auf¬ gehängt. Der seismischen Masse 3 gegenüber liegt in geringem Abstand der Kontaktblock 6, der am Berührungspunkt von seismischer Masse und Kontaktblock als Kontaktpunkt 9,19 bezeichnet wird. In Figur 1 ist

mit 4 eine stabile Ausgangslage und in Figur 2 mit 5 eine stabile Auslenkungslage des Sensors bezeichnet. Die Ausgangslage 4 und die Auslenkungslage 5 sind stabil in dem Sinn, daß eine Kraft benötigt wird um den Sensor aus der jeweiligen Lage zu entfernen. Die dabei benötigten Kräfte müssen nicht für beide Lagen gleich sein, insbe¬ sondere sind Anwendungsfälle vorstellbar, bei denen der Sensor bei sehr geringen Beschleunigungswerten von der Auslenkungs- wieder in die Ausgangslage zurückkehrt. Die Lagerblöcke 7 und der Kontaktblock 6 sind fest mit dem Substrat 8 verbunden. Die Federn 2 und die seis¬ mische Masse 3 sind so an den Lagerblöcken aufgehängt, daß ein Abstand zwischen dem Substrat 8 und den Federn 2 und der seismischen Masse 3 besteht. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die Bewe¬ gung der Feder 2 und der seismischen Masse 3 zwischen der Ausgangs¬ lage 4 und der Auslenkungsläge 5 nicht durch Reibung mit dem Sub¬ strat 8 behindert wird. Der Kontaktblock 6 und die Lagerblöcke 7 sind hier als vorwiegend rechteckige Strukturen ausgeführt. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich, sofern eine ausreichende Haftung dieser Strukturen auf dem Substrat 8 gewährleistet ist. Die Federn 2 sind als Biegebalken mit einer Länge die groß ist, in ihrer Dicke ausgeführt. Die Masse der Federn 2 ist gering im Vergleich zum Gewicht der seismischen Masse 3.

Die seismische Masse 3 ist hier im wesentlichen als rechteckiger Block ausgeführt. Es sind auch andere Ausführungen der seismischen Masse vorstellbar, wesentliches Merkmal der seismischen Masse 3 ist hier, daß ihr Gewicht wesentlich größer als das Gewicht der Federn 2 ist und daß sie starr, d. h. nicht verformbar ist. Durch diese Auf¬ teilung in gewichtslose, leicht verformbare Feder 2 und starre, schwere seismische Masse wird die Berechenbarkeit des Sensorverhal¬ tens vereinfacht. Ebensogut sind Sensoren einsetzbar, bei denen seismische Masse und Feder nicht eindeutig getrennt sind, die bei¬ spielsweise nur aus einer Feder oder zur Erhöhung der Empfindlich¬ keit aus einer Feder mit einer Verdickung bestehen. Je nach Ausge¬ staltung ist jedoch der Aufwand zur Berechnung dieser Sensoren

größer. Durch die leichte Krümmung der als Biegefedern ausge _b il _d eten Federn 2 wird erreicht, daß das Feder-Masse-System 1 eine stabile Ausgangslage 4 und eine stabile Auslenkungslage 5 hat. Durc _{h d} ie in der Auslenkungslage 5 s-förmig verbogenen Federn 2 wird die seismi _¬ sche Masse 3 gegen den Kontaktblock 6 gedrückt. Durch diese Kraft wird ein Prellen des Sensors verringert.

Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Die seismische Masse 3 ist mit jeweils 2 Federn 2 zwischen zwei Lagerblöcken 7 aufgehängt. Der seismischen Masse 3 steht wieder ein Kontaktblock 6 gegenüber. Durch die Verwendung von 4 Federn 2 wird eine bessere Führung der seismischen Masse 3 bei Wechsel von der Ausgangslage 4 in die Auslenkungslage 5 erreicht. Es wird sichergestellt, daß die seismische Masse 3 praktisch nur eine gerad¬ linige Bewegung in Richtung des Kontaktblockes 6 ausführen kann. Die Federn 2 sind als gerade Biegebalken ausgeführt, wobei die jeweils auf einer Seite der seismischen Masse befindlichen Federn zueinander parallel sind. Die Federn 2 auf den unterschiedlichen Seiten der seismischen Masse 3 weisen eine leichte Abweichung von der Paral¬ lelen auf. Durch diese Maßnahme wird ein nichtlineares Verhalten wie bei den gekrümmten Federn erreicht.

In Figur 4 ist mit 9 der Kontaktpunkt auf der seismischen Masse 3 und mit 19 der Kontaktpunkt auf dem Kontaktblock 6 bezeichnet. In diesem Beispiel sind die Kontaktpunkte in einem anderen Material beispielsweise Gold ausgeführt. Durch diese Maßnahme wird der elek¬ trische Widerstand zwischen seismischer Masse 3 und Kontaktblock 6 verringert. In äquivalenter Weise können andere Materialien oder Materialschichten verwendet werden, um den Widerstand und die Lebensdauer der Kontaktpunkte 9, 19 zu beeinflussen. Die geome¬ trische Form der Kontaktpunkte 9, 19 ist nicht auf die hier gezeig¬ ten Kreissegmente beschränkt. In äquivalenter Weise können eckige Strukturen oder auch Vorsprünge auf der einen und entsprechende Ein¬ buchtungen auf der anderen Seite verwendet werden.

In Figur 5 wird ein. erfindungsgemäßer Sensor mit einem elektrosta _¬ tischen Aktor gezeigt. Die seismische Masse 3 ist mit jeweils einer gekrümmten Biegefeder 2 auf jeder Seite an Lagerblöcken 7 aufge¬ hängt. In der Bewegungsachse ist die seismische Masse 3 zwischen zwei Kontaktblöcken 6 angeordnet. Das Feder-Masse-System 1 des Sensors ist mit 4 elektrostatischen Aktoren 10 versehen. Die Aktoren bestehen aus kammförmigen ineinander verschränkten Elektroden 13, die teilweise am Feder-Masse-System 1 und teilweise am zusätzlichen Aktor-Lagerblöcken 14 angebracht sind. Wenn eine Potentialdifferenz zwischen dem Feder-Masse-System 1 und den Lagerblöcken 14 besteht, so wirkt eine Kraft, die die Elektroden 13 ineianderzieht, um so die Potentialdifferenz auszugleichen. Durch die Anordnung der Aktoren 10 auf beiden Seiten des Feder-Masse-Systems 1 kann das Feder-Masse- System 1 willkürlich zwischen den beiden Kontaktblöcken 6 hin und her geschaltet werden. Durch die Aktoren 10 ist somit ein Test der Funktion des Sensors möglich. Ebenso ist es möglich durch Anlegen einer definierten Spannung an die Aktoren 10 auf einer Seite des Feder-Masse-Systems 1 das Auslöseverhalten der Sensoren zu niedri¬ geren Werten der Beschleunigung hin zu verschieben. Werden die Akto¬ ren 10 auf der anderen Seite aktiviert, so kann die Auslöseschwelle der Sensoren zu höheren Beschleunigungswerten hin verschoben werden.

In Figur 6 erfolgt die Ausgestaltung der Lagerblöcke 7 der Federn 2 und der seismischen Masse 3 in einer der zuvor beschriebenen Weisen. Der Kontaktblock 15 wird so ausgestaltet, daß nur ein geringer Spalt 16 zwischen dem Kontaktblock 15 und dem Feder-Masse-System ver¬ bleibt. Der Spalt 16 wird dabei so ausgelegt, daß er nur unwesent¬ lich größer ist als der Abstand zwischen den Kontaktpunkten 9 und 19. Wenn das Feder-Masse-System 1 der Ausgangslage 4 in die Auslen¬ kungslage 5 springt, so wird die im Spalt 16 enthaltene Luft durch die Verringerung der Spaltbreite herausgepreßt. Bei kleinen Spalten 16 kann die Luft nicht schnell genug entweichen und so wird die Bewegung des Feder-Masse-Systems 1 gedämpft. Durch eine geeignete

Dämpfung der Bewegung des Feder-Masse-Systems 1 wird ein Prellen der Kontaktpunkte 9, 19 verhindert. Durch Anlegen einer Spannung zwischen Feder-Masse-System 1 und Kontaktblock 15 wird der Auslöse _¬ punkt dieses Sensors zu niedrigeren Beschleunigungen hin verschoben.

In Figur 7 ist mit 16 der Spalt zwischen seismischer Masse 3 und Kontaktblock 15 bezeichnet. Durch Einbringen von Entlüftungs¬ schlitzen, die sowohl in die seismische Masse 3 und/oder den Kon¬ taktblock 15 ragen, kann das Dämpfungsverhalten des Feder-Masse- Systems beeinflußt werden. Durch die Verwendung der Entlüftungs¬ schlitze 17 wird die Dämpfung des Feder-Masse-Systems 1 beeinflußt, ohne daß dadurch die Möglichkeit, den Auslösepunkt der Sensoren durch Anlegen einer Spannung zwischen seismischer Masse 3 und Kon¬ taktblock 15 zu verändern, beeinflußt wird.

In Figur 8 wird mit 21 ein isolierendes Substrat, mit 22 eine darauf aufgebrachte strukturierte, leitfähige Schicht, mit 23 eine struk¬ turierte auflösbare Schicht und mit 24 eine Kunststoffschicht mit Ausnehmungen 25 bezeichnet. Die verschiedenen Schichten können sich überlappen. Das isolierende Substrat 21 besteht beispielsweise aus einem Siliziumwafer mit einer isolierenden Schicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Keramische Materialien wie beispielsweise Alu- miniumoxid-Keramik sind ebenfalls verwendbar. Für die leitfähige Schicht 22 werden Metalle verwendet. Diese werden durch Aufdampfen oder Aufsputtern auf das Substrat 21 aufgebracht. Die Strukturierung dieser Schichten erfolgt mit den bekannten Maskierungs- und Ätz¬ techniken der Dünnfilmtechnik. Die Funktion der Schichten 22 besteht zum einen darin, eine gute Haftung der Sensoren zum Substrat 21 sicherzustellen, zum anderen sind sie die Elektroden für die galva¬ nische Abscheidung der Sensorstrukturen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, kann die Schicht 22 auch aus zwei Metallschichten aufgebaut werden. Um eine gute Haftung zum Substrat sicherzustellen,

^k ann ^b eispielsweise Chrom verwendet werden, eine gute Ga _l vanikelek _¬ trode wird beispielsweise durch Gold erreicht. Die auflösbare Schicht 23 hat die Eigenschaft, daß sie selektiv gegen das Material des Substrates 21, die leitfähige Schicht 22 und das galvanisch abgeschiedene Metall 26 der Sensorstrukturen auflösbar ist. Das Material der Schicht 23 ergibt sich folglich aus der Wahl der anderen Materialien, die zur Herstellung des Sensors verwendet wer _¬ den. Mit Aluminiumoxid-Keramik für das Substrat 21, einer Chrom- Gold-Schicht für die leitfähige Schicht 22 und Nickel für die galva¬ nische Abscheidung, ist beispielsweise Titan für die auflösbare Schicht 23 verwendbar. Titan wird von Flußsäure selektiv gegen alle anderen genannten Materialien geätzt. Alternativ kann die auflösbare Schicht 23 aus Kunststoffen wie beispielsweise Polyimid oder kera¬ mischen Materialien wie bordotiertem Glas bestehen. Die Kunststoff¬ schicht 24 ist mit Ausnehmungen 25 versehen, die eine Form für die galvanische Abscheidung der Sensoren bilden. Ein Weg die Kunststoff¬ schicht 24 mit den Ausnehmungen 25 herzustellen, besteht in der Ver¬ wendung von Röntgenstrahlung geringer Divergenz wie sie beispiels¬ weise von einem Synchrotron hergestellt wird. Durch die Bestrahlung einer zunächst ganzflächigen KunststoffSchicht 24 durch eine Maske, die die Röntgenstrahlung teilweise ausblendet, kann die Kunststoff¬ schicht 24 so bestrahlt werden, daß nur der Bereich der späteren Sensorstrukturen belichtet ist. Der bestrahlte Kunststoff wird selektiv gegen den nicht bestrahlten Kunststoff herausgelöst. Als röntgenempfindlicher Kunststoff eignet sich beispielsweise Poly e- thylmethacrylat. Ein anderer Weg, die Kunststoffschicht 24 mit den Ausnehmungen 25 zu erzeugen, besteht in der Verwendung von Abform¬ techniken wie beispielsweise Spritzguß oder Reaktionsguß. Bei der Äbformung wird eine Form mit dem flüssigen oder plastisch formbaren Kunststoff gefüllt. Nach dem Erhärten des Kunststoffes in der Form werden Kunststoff und Form getrennt. Das Ergebnis ist eine struktu¬ rierte KunststoffSchicht 24 mit Ausnehmungen 25. Dieses Verfahren wird entweder auf dem Substrat 21 angewendet oder aber die getrennt

hergestellte Kunststoffstruktur 24 mit den Ausnehmungen 25 wird separat gefertigt und dann mit dem Substrat 21 verbunden. In Figur 9 ist ein Querschnitt durch einen so hergestellten Sensor gezeigt. Auf dem Substrat 21 wurde auf der leitfähigen Schicht 22 die Sensor¬ struktur bestehend aus Lagerblock 7, Federn 2 und seismischer Masse 3 durch galvanische Abscheidung eines Metalls erzeugt.

Die Kunststoffschicht 24 und die auflösbare Schicht 23 sind ent¬ fernt. Die Kunststoffschicht 24, mit den Ausnehmungen 25 stellt somit eine verlorene Form für die Herstellung der Sensoren dar. Durch die auflösbare Schicht 23 werden die beweglichen Sensorstruk¬ turen wie Federn 2 und seismische Masse 3 vom Substrat 21 getrennt, so daß sie nicht durch Reibung mit dem Substrat in ihrer Bewegung behindert werden. Die Seitenwände der so erzeugten Sensorstrukturen sind senkrecht zum Substrat. Es wird so eine sehr exakte Definition der Sensorgeometrie erzeugt.