專利名稱：容性傳感器和執(zhí)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種容性傳感器和執(zhí)行器，其具有至少一個可偏移地固定在基底上的 振蕩質(zhì)量，其中在該振蕩質(zhì)量上固定了帶有梳齒的梳狀電極并且在基底上固定了帶有梳齒 的梳狀電極，這些梳齒被布置成平行于振蕩質(zhì)量的偏移方向并且梳狀地嚙入彼此之中。
背景技術(shù)：
傳感器在許多技術(shù)領(lǐng)域中是已知的。尤其是微機械傳感器例如在汽車技術(shù)、工業(yè) 技術(shù)和醫(yī)藥技術(shù)中、但是還在消費電子的其他領(lǐng)域中尤其被用作加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感 器或者壓力傳感器。在此，廣泛流行的尤其是容性傳感器。容性傳感器基于彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，其中例如通過出現(xiàn)的加速度力或壓力來使振蕩質(zhì) 量迎著預(yù)定的復(fù)位力相對于基底偏移。在此，與振蕩質(zhì)量相連接的電極和固定在基底上的 電極構(gòu)成電容器。通過振蕩質(zhì)量相對于基底的偏移并且由此通過電極彼此之間的偏移，使 得尤其是這些電極的重疊區(qū)域的大小發(fā)生變化。這些電極的運動或偏移會影響從內(nèi)部形成 的電容器的電容，因為電容尤其根據(jù)這些電極的重疊區(qū)域的大小以及電極之間的間距來發(fā) 生變化。因此，容性傳感器基于一個電容器或大量電容器的電容變化，該電容變化是通過 電極彼此之間的運動觸發(fā)的。電容變化可以容易地以電氣方式來分析并且因此使得能夠計 算所出現(xiàn)的力，例如加速度或壓力。此類裝置可以同樣被用作執(zhí)行器。與用于檢測運動的傳感器不同，執(zhí)行器適用于 產(chǎn)生靜電力和調(diào)節(jié)行程。為此，在電容器上施加電壓，該電壓產(chǎn)生靜電力并使電極彼此之間 運動并且因此實現(xiàn)電極的調(diào)節(jié)行程或者固定在電極上的部件的調(diào)節(jié)行程。使用所謂的梳狀電極來構(gòu)成容性傳感器或執(zhí)行器是已知的。這些電極是通過各個 電極的梳狀地嚙入彼此之中的梳齒構(gòu)成的，這些梳齒形成多個平板電容器的系統(tǒng)。在此，平 板電容器并且因此梳狀電極具有以下特性其具有非線性的特征曲線，通過電壓與靜電力 或偏移之間的傳遞函數(shù)來描述該非線性的特征曲線。為了在偏移程度方面為較小的偏移獲 得較大的靈敏度或者為較大的偏移獲得較小的靈敏度，可以希望具有此類非線性的特征曲 線。然而對于現(xiàn)有技術(shù)中的平板電容器而言，預(yù)先規(guī)定特征曲線的徑跡，以使得動態(tài)范圍極 大地受限。此外，通常希望獲得電壓與偏移之間的線性關(guān)系。為了達成該線性關(guān)系，使用差動 電容器是已知的。差動電容器基本上由兩個平板電容器組成，這兩個平板電容器具有共同 的中間電極。該中間電極在此處用作可移動的振蕩質(zhì)量。如果中間電極關(guān)于兩個相鄰的外 部電極移動，那么這兩個電容器的電容就會如以上所描述的那樣發(fā)生變化。在此，差動電容 器的特征在于，可以通過平板電容器的平行結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)特征曲線的線性化。然而，此類差動電容器的缺點在于，需要附加的電極，這對于微機械領(lǐng)域中的傳感 器或執(zhí)行器而言是不利的，因為僅能困難地實現(xiàn)必需的尺寸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明 的主題是一種容性傳感器和一種容性執(zhí)行器，其具有至少一個可偏移地固 定在基底上的振蕩質(zhì)量，其中在該振蕩質(zhì)量上固定了帶有梳齒的梳狀電極并且在該基底上 固定了帶有梳齒的梳狀電極，其中這些梳齒被布置成平行于該振蕩質(zhì)量的偏移方向并且梳 狀地嚙入彼此之中，其中通過優(yōu)化至少一個梳狀電極的幾何形狀尤其至少一個梳齒的幾何 形狀來調(diào)節(jié)該傳感器的特征曲線和該執(zhí)行器的特征曲線。通過優(yōu)化至少一個梳狀電極的，尤其是至少一個梳齒的幾何形狀來調(diào)節(jié)傳感器的 特征曲線或執(zhí)行器的特征曲線，可以藉由在梳狀電極中使用經(jīng)專門優(yōu)化的梳齒來任意地選 擇特征曲線的徑跡。由此可以一方面匹配并任意擴大非線性的特征曲線的動態(tài)范圍。以此 方式可以實現(xiàn)例如與極其不同的作用力或分析系統(tǒng)的匹配。另一方面，還可以實現(xiàn)特征曲線的通常希望的線性化。經(jīng)線性化的特征曲線尤其 在根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器中是有利的。如果在電容器上施加電壓，那么由此產(chǎn)生的力并且因 此偏移或調(diào)節(jié)行程會遵循線性的變化，這極大地簡化了根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器的使用。對于根據(jù)本發(fā)明的傳感器以及根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行器而言，通過優(yōu)化尤其是至少一 個梳齒的幾何形狀，特征曲線將因此遵循希望的傳遞函數(shù)。根據(jù)所要求的任務(wù)(即，線性度 的匹配或動態(tài)范圍的匹配)來實現(xiàn)此函數(shù)的設(shè)計并且因此實現(xiàn)幾何形狀的優(yōu)化。在此，可以將根據(jù)本發(fā)明的傳感器和執(zhí)行器的尺寸設(shè)計得非常小，以使得能夠無 問題地將它們用作微機械的傳感器和執(zhí)行器。在本發(fā)明的一個實施方式的范圍內(nèi)，通過至少一個梳齒的預(yù)定的高度輪廓 (HohenprofiI)來優(yōu)化至少一個梳狀電極的幾何形狀。此實施方式可以特別準(zhǔn)確地與相 應(yīng)的任務(wù)相匹配。在此情況下特別有利的是，通過敷設(shè)絕緣物來產(chǎn)生該高度輪廓。因此可以使用通 用的梳齒，其設(shè)有絕緣物，以便沿著預(yù)定的高度輪廓將這些梳齒劃分成對電容起作用的區(qū) 域以及對電容不起作用的區(qū)域。在此，“敷設(shè)絕緣物”是指在梳齒中通過對電容不起作用的 絕緣物來構(gòu)成預(yù)定區(qū)域的各種過程。在本發(fā)明的另一個實施方式的范圍內(nèi)，通過至少一個梳齒的預(yù)定的長度輪廓 (Langenprofil)來優(yōu)化至少一個梳狀電極的幾何形狀?？梢蕴貏e簡單地實現(xiàn)此實施方式。在本發(fā)明的另一個實施方式的范圍內(nèi)，通過至少一個梳齒的預(yù)定的間距輪廓 (Abstandsprofil)來優(yōu)化至少一個梳狀電極的幾何形狀。這也能夠達成非常好的結(jié)果。


通過附圖來說明并且在以下描述中解釋根據(jù)本發(fā)明的主題的其他優(yōu)點和有利的 設(shè)計方案。在此必須注意，這些附圖僅具有描述性的特性并且并不旨在以任何一種形式來 限制本發(fā)明。附圖示出圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的容性傳感器或執(zhí)行器的一個實施方式的俯視圖，圖2示出了根據(jù)圖1的容性傳感器或執(zhí)行器沿著線A-A'的截面圖，圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的容性傳感器或執(zhí)行器的另一個實施方式的俯視圖，圖4示出了根據(jù)圖3的容性傳感器或執(zhí)行器沿著線B-B'的截面圖，
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的容性傳感器或執(zhí)行器的另一個實施方式的俯視圖。
具體實施例方式根據(jù)圖1的容性傳感器包括未示出的振蕩質(zhì)量，該振蕩質(zhì)量可偏移地固定在不可 移動的基底上或者例如固定在另一個可移動的質(zhì)量上。該振蕩質(zhì)量的可偏移性可以通過用 一個或多個具有已定義的剛度的彈簧將其固定在基底上的方式來達成。此外，在該振蕩質(zhì) 量上固定了帶有多個梳齒2的第一梳狀電極1，其中在基底或另一個可移動的質(zhì)量上固定 了帶有多個梳齒2'的第二梳狀電極1'。梳狀電極1和1'的梳齒2和2'彼此平行地對 齊并且如此梳狀地嚙入彼此之中，以使得它們在靜止?fàn)顟B(tài)中形成重疊區(qū)域。梳齒2和2'因 此產(chǎn)生電容器，其中重疊面積是對電容器的電容起作用的面積。此外，梳狀電極1和1'如此固定在振蕩質(zhì)量或基底上并且如此對齊，以使得梳齒 2和2'平行于振蕩質(zhì)量的偏移方向延伸。如果例如加速度力或壓力之類的力對振蕩質(zhì)量 起作用，那么該振蕩質(zhì)量就關(guān)于基底偏移，由此帶有梳齒2的梳狀電極1朝由雙箭頭3指出 的方向移動。通過梳齒2因此平行于梳齒2'的移動，由梳齒2和2'形成的重疊區(qū)域發(fā)生 變化。由此直接導(dǎo)致由梳齒2和2'構(gòu)成的電容器的電容的變化。通過作用力引起的電容 變化可以按電氣方式來分析并且由此計算該作用力。電壓與該作用力或者偏移之間的傳遞函數(shù)描述了確定的特征曲線，該特征曲線取 決于電容器的電容并且因此取決于電極彼此之間的間距及其重疊區(qū)域。根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)化 至少一個梳齒2或2'的幾何形狀，優(yōu)選優(yōu)化多個梳齒2的幾何形狀，其中以下描述以不受 限的方式基本上僅涉及優(yōu)化多個梳齒。通過幾何形狀的優(yōu)化來改變電極間距或其重疊區(qū) 域，以便因此調(diào)節(jié)電容器的電容并且由此調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)。以此方式，傳遞函數(shù)或特征曲線可 以采用希望的徑跡，這意味著可電氣測量的電容變化以希望的程度取決于作用力并且因此 取決于偏移。因此，可以使根據(jù)本發(fā)明的容性傳感器無問題地與極其不同的任務(wù)相匹配。圖2中示出了本發(fā)明的第一實施方式。根據(jù)圖2，通過預(yù)定的高度輪廓4來優(yōu)化梳 狀電極1的，尤其是梳齒2的幾何形狀。通過此特定的高度輪廓4，梳齒2相對于梳齒2' 而言具有隨偏移的程度變化的高度。梳狀電極2的高度與其長度一樣自然會影響兩個梳齒 2,2'的重疊區(qū)域并且由此影響對電容起作用的面積。因此，在梳狀電極發(fā)生偏移時，梳齒 2和2'的重疊面積不僅關(guān)于梳齒2、2'的長度發(fā)生變化，而且更確切地說還關(guān)于其高度發(fā) 生變化。根據(jù)本發(fā)明，通過此另外的變量可以在梳狀電極1發(fā)生偏移時控制電容并且因此 如所希望的那樣調(diào)節(jié)傳遞函數(shù)或特征曲線。因此與現(xiàn)有技術(shù)中已知的解決方案相比，可以極大地擴大非線性的特征曲線的動 態(tài)范圍。由此可以在偏移較小時達成較高的靈敏度，與之相反，可以在偏移較大時以希望的 程度將靈敏度選擇地較小。因此，可以通過根據(jù)本發(fā)明的傳感器使動態(tài)范圍準(zhǔn)確地與希望 的應(yīng)用領(lǐng)域相匹配。這不僅適用于對希望的動態(tài)范圍的調(diào)節(jié)，而且更確切地說還適用于傳遞函數(shù)或特 征曲線的線性化。因為對于許多應(yīng)用而言，希望得到容性傳感器的線性的特征曲線。由于 靜電力或偏移與電壓的二次關(guān)系，因而可以尤其如下來實現(xiàn)特征曲線的線性化根據(jù)本發(fā) 明如此優(yōu)化梳狀電極2的高度輪廓4，以便抵消二次電壓以及電容變化。由于根據(jù)本發(fā)明通 過梳齒2的基于特定的高度輪廓4變化的高度而使得電極的重疊區(qū)域并且因此起作用的面
5積以不同于相同高度的梳齒情況下的程度發(fā)生變化，因而可以通過選擇該高度輪廓來補償 二次增長。因此，通過高度輪廓4的度身定制的變化可以導(dǎo)致力或偏移與電壓的線性關(guān)系 并且因此使特征曲線線性化。如果不優(yōu)化梳齒2本身的高度而是通過敷設(shè)絕緣物來使梳齒獲得對電容不起作 用的區(qū)域，那么同樣可以實現(xiàn)上述效果。那么，通過有目的地敷設(shè)絕緣物來產(chǎn)生高度輪廓4， 由此同樣可以實現(xiàn)上述效果。圖3和圖 4中示出了本發(fā)明的另一個實施方式。通過至少一個梳齒2或2'的預(yù) 定的長度輪廓來優(yōu)化至少一個梳狀電極1或1 ‘的幾何形狀。根據(jù)圖3，如此優(yōu)化三個相鄰 梳齒2的長度，以使得它們關(guān)于其長度具有階梯狀的結(jié)構(gòu)。這可以例如通過如下方式來實 現(xiàn)梳齒2的長度遵循Heaviside函數(shù)，利用該Heaviside函數(shù)可以在數(shù)學(xué)上描述梯級或閾 值。通過此長度結(jié)構(gòu)的度身定制的變化，可以導(dǎo)致所施加的電壓與靜電力或偏移的線性關(guān) 系或者使特征曲線線性化。此外，如同樣參照圖2所描述的那樣，在電極發(fā)生偏移時通過梳 齒2的特定的長度輪廓來以確定的程度改變電極的重疊區(qū)域并且因此改變對電容起作用 的面積。

在此實施方式中也可以通過敷設(shè)絕緣物來達成該長度輪廓，如已針對高度輪廓所 描述的那樣。除了特征曲線的線性化之外，通過梳齒2的長度結(jié)構(gòu)的匹配還可以保留特征曲線 的非線性形式并且僅以希望的方式改變動態(tài)范圍。為此，必須以合適的方式選擇特定的長 度輪廓。圖5中示出了本發(fā)明的另一個實施方式。根據(jù)圖5，并不是如圖2和圖3中所描述的那樣通過優(yōu)化重疊區(qū)域來調(diào)節(jié)電容。 更確切地說，在此實施方式中充分利用了 除了重疊區(qū)域之外，電容同樣取決于電極的間距 (艮口，電極間隔)。在根據(jù)圖5的實施方式中，梳齒2'在其背向梳狀電極1的末端上被構(gòu)造成楔形， 其中尖形的末端背向梳狀電極1。在梳狀電極1發(fā)生偏移時，梳狀電極2和2'的間距以此 方式發(fā)生變化。因此，可以在偏移時如希望的那樣調(diào)節(jié)電容的變化。因此在這種情形中，可 以通過調(diào)節(jié)間距輪廓(如同樣參照圖2所描述的那樣)來補償靜電力相對于傳感器中的電 壓的二次增長。因此根據(jù)圖5，可以通過間距輪廓的度身定制的變化來導(dǎo)致所施加的電壓與 結(jié)果得到的靜電力或偏移的線性關(guān)系并且使特征曲線線性化。除了特征曲線的線性化之外，通過梳齒2的間距輪廓的匹配還可以保留特征曲線 的非線性形式并且僅改變動態(tài)范圍，如已描述的那樣。原則上，梳齒的幾何形狀的優(yōu)化既可以應(yīng)用于梳狀電極1的單個梳齒2也可以應(yīng) 用于梳狀電極1'的單個梳齒2'。然而更有利的是，優(yōu)化多個梳齒2或2'的幾何形狀。 同樣，既可以僅優(yōu)化梳狀電極1的梳齒2也可以僅優(yōu)化梳狀電極1'的梳齒2'，或者同時 優(yōu)化梳齒2和梳齒2'?？梢愿鶕?jù)希望的任務(wù)并且根據(jù)希望的效果的強度來選擇經(jīng)優(yōu)化的 梳齒及其數(shù)目。此外，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以僅通過高度輪廓、長度輪廓或間距輪廓來優(yōu)化梳齒2 的幾何形狀，或者選擇該幾何形狀優(yōu)化的合適的組合。除了傳感器之外，根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思同樣可應(yīng)用于容性執(zhí)行器，因為容性執(zhí)行器是容性傳感器的與換能器有關(guān)的配合件。與根據(jù)本發(fā)明的傳感器相同地構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的 容性執(zhí)行器。該容性執(zhí)行器包括兩個帶有梳齒2和2'的梳狀電極1和1'，其中梳齒2和 2'以平行于偏轉(zhuǎn)方向3的方式對齊并且梳狀地嚙入彼此之中，以使得它們在重疊區(qū)域中 構(gòu)成電容器。在此，梳狀電極1優(yōu)選固定在可移動的質(zhì)量上，與之相反，梳狀電極1'固定在 固定的基底上。如果在電容器上施加電壓，則產(chǎn)生使可偏移的電極移動的靜電力。通過此偏移來 達成調(diào)節(jié)行程，該調(diào)節(jié)行程可以通過所施加的電壓來控制。然而，此偏移由于靜電力與電壓 的二次關(guān)系而不是線性增長的。為了防止這種情況并且實現(xiàn)特征曲線的線性化，可以根據(jù) 本發(fā)明優(yōu)化至少一個梳齒2和/或2'的幾何形狀，從而抵消二次電壓和電容變化。此外， 可以通過優(yōu)化電極的幾何形狀來任意地控制非線性的特征曲線的動態(tài)范圍，如已描述的那 樣。根據(jù)本發(fā)明，此優(yōu)化是通過改變高度輪廓、長度輪廓和/或間距輪廓來實現(xiàn)的，如 參照根據(jù)本發(fā)明的傳感器所描述的那樣。
權(quán)利要求
1.一種容性傳感器，其具有至少一個可偏移地固定在基底上的振蕩質(zhì)量，其中在所述 振蕩質(zhì)量上固定了帶有梳齒(2)的梳狀電極(1)并且在所述基底上固定了帶有梳齒(2') 的梳狀電極(1')，所述梳齒(2，2')被布置成平行于所述振蕩質(zhì)量的偏移方向(3)并且 梳狀地嚙入彼此之中，其特征在于，通過優(yōu)化至少一個梳狀電極(1，1')的幾何形狀尤其 至少一個梳齒(2，2')的幾何形狀來調(diào)節(jié)所述傳感器的特征曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的容性傳感器，其特征在于，所述至少一個梳狀電極(1，1') 的幾何形狀是通過所述至少一個梳齒(2，2')的預(yù)定的高度輪廓(4)來優(yōu)化的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的容性傳感器，其特征在于，所述高度輪廓(4)是通過敷設(shè)絕緣物產(chǎn) 生的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一項所述的容性傳感器，其特征在于，所述至少一個梳狀電 極(1，1')的幾何形狀是通過所述至少一個梳齒(2，2')的預(yù)定的長度輪廓來優(yōu)化的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的容性傳感器，其特征在于，所述至少一個梳狀電 極(1，1')的幾何形狀是通過所述至少一個梳齒(2，2')的預(yù)定的間距輪廓來優(yōu)化的。
6.一種容性執(zhí)行器，其具有至少一個可偏移地固定在基底上的振蕩質(zhì)量，其中在所述 振蕩質(zhì)量上固定了帶有梳齒(2)的梳狀電極(1)并且在所述基底上固定了帶有梳齒(2') 的梳狀電極(1')，所述梳齒(2，2')被布置成平行于所述振蕩質(zhì)量的偏移方向(3)并且 梳狀地嚙入彼此之中，其特征在于，通過優(yōu)化至少一個梳狀電極(1，1')的幾何形狀尤其 至少一個梳齒(2，2')的幾何形狀來調(diào)節(jié)所述執(zhí)行器的特征曲線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的容性執(zhí)行器，其特征在于，所述至少一個梳狀電極(1，1') 的幾何形狀是通過所述至少一個梳齒(2，2')的預(yù)定的高度輪廓(4)來優(yōu)化的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的容性執(zhí)行器，其特征在于，所述高度輪廓(4)是通過敷設(shè)絕緣物產(chǎn) 生的。
9.根據(jù)權(quán)利要求6到8中任一項所述的容性執(zhí)行器，其特征在于，所述至少一個梳狀電 極(1，1')的幾何形狀是通過所述至少一個梳齒(2，2')的預(yù)定的長度輪廓來優(yōu)化的。
10.根據(jù)權(quán)利要求6到9中任一項所述的容性執(zhí)行器，其特征在于，所述至少一個梳狀 電極(1，1')的幾何形狀是通過所述至少一個梳齒(2，2')的預(yù)定的間距輪廓來優(yōu)化的。
全文摘要
本發(fā)明涉及容性傳感器和執(zhí)行器，其具有至少一個可偏移地固定在基底上的振蕩質(zhì)量。在此，如此在該振蕩質(zhì)量上固定了帶有梳齒(2)的梳狀電極(1)并且在該基底上固定了帶有梳齒(2′)的梳狀電極(1′)，以使得梳齒(2)和(2′)被布置成平行于該振蕩質(zhì)量的偏移方向(3)并且梳狀地嚙入彼此之中。通過優(yōu)化至少一個梳狀電極(1，1′)的幾何形狀尤其至少一個梳齒(2，2′)的幾何形狀來調(diào)節(jié)傳感器的特征曲線或執(zhí)行器的特征曲線。
文檔編號G01D5/24GK102003972SQ201010264988
公開日2011年4月6日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月27日
發(fā)明者A·布曼, A·弗蘭克, M·凱克 申請人:羅伯特.博世有限公司