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Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor zur Messung einer Drehbeschleunigung, ein Verfahren zur Messung einer Drehbeschleunigung sowie eine Verwendung eines Drehbeschleunigungssensors.
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Drehbeschleunigungssensoren werden in vielfältigen Bereichen der Technik verwendet. Sie können beispielsweise bei Elektrowerkzeugen zum Einsatz kommen und eine Überwachung einer Drehbeschleunigungsgrenze für das Elektrowerkzeug, beispielsweise einer Bohrmaschine, ermöglichen. Wird eine Überschreitung detektiert, wird dann das Elektrowerkzeug abgeschaltet. Darüber werden Drehbeschleunigungssensoren beispielsweise auch im Bereich von Videokameras zur Vibrationsstabilisierung eingesetzt.
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Drehbeschleunigungssensoren können dabei auf dem Prinzip basieren, dass eine seismische Masse aufgrund der Drehbeschleunigung ausgelenkt wird und die Auslenkung der seismischen Masse gemessen wird. Anhand der gemessenen Auslenkung der seismischen Masse kann dann auf eine auf die seismische Masse einwirkende Drehbeschleunigung geschlossen werden.
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Um eine Auslenkung zu erfassen, können beispielsweise piezoresistive Elemente angeordnet werden, die bei einer Auslenkung gedehnt oder gestaucht werden. Die piezoresistiven Elemente verändern dabei ihren Widerstand. Aufgrund der Veränderung des Widerstandes der piezoresistiven Elemente kann dann auf eine auf die seismische Masse einwirkende Drehbeschleunigung geschlossen werden.
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Aus der
US 4,996,878 A ist ein Messwertgeber zur Messung von linearen und Drehbeschleunigungen bekannt geworden. Der Messwertgeber umfasst hierzu zwei elektromechanisch wirkende oszillierende Balken, die zu einer vorgegebenen Hauptachse auf einem Substrat mittels Fixierelementen festgelegt sind. Elektrische Ausgabesignale, welche proportional zu einer Biegung der Balken bei einer Rotation um die Hauptachse sind, werden einem Signalverarbeitungsschaltkreis zugeführt, der so ausgestaltet wird, dass mit gleicher oder entgegengesetzter Polarität der oszillierenden Balken ein Summenverstärker die lineare Beschleunigung entlang der z-Achse ermittelt und ein Differenzverstärker die Drehbeschleunigung um die y-Achse ermittelt. Die oszillierenden Balken können als piezoelektrische Biegeelemente oder als Biegeelemente mit piezoresistiven Halbleitern beschichtet, ausgebildet sein.
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Ein weiterer Drehbeschleunigungssensor ist aus der
GB 1,344,811 A bekannt geworden. Der Drehbeschleunigungssensor umfasst dabei einen ringförmigen Kanal mit einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit, zumindest eine Sperre in besagtem Kanal, sodass zumindest zwei Enden für besagten Kanal zur Verfügung gestellt werden, ein Paar elektrischer oder piezoresistiver Elemente für jedes Kanalende, wobei jeweils eines benachbart zu besagten Kanalenden angeordnet ist und wobei besagte Elemente, derart im Kanal angeordnet sind, um mit Druckänderungen besagter Flüssigkeit beaufschlagt zu werden. Aus den Druckänderungen kann dann mittels der Widerstandsänderungen auf die Drehbeschleunigung geschlossen werden.
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Aus der
WO 09109969 A ist eine Drehraten-Sensiervorrichtung bekannt geworden. Die Drehraten-Sensiervorrichtung umfasst dabei eine scheibenförmige Struktur mit einem Bereich für eine seismische Masse und einem flexiblen Bereich. Die scheibenförmige Struktur ist mit einem Substrat verbunden, dergestalt, dass eine wellenförmige Präzessionsbewegung ermöglicht wird und sodass während der wellenförmigen Präzessionsbewegung das Material der seismischen Masse eine elliptische Bewegung ausführt.
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Aus der
JP 2008/107257 A ist ein Beschleunigungssensor zur Messung einer linearen Beschleunigung und einer Drehbeschleunigung bekannt geworden. Der Sensor umfasst im Wesentlichen einen rechteckförmigen Rahmen in dessen Zentrum eine seismische Masse angeordnet ist. Die seismische Masse ist über senkrecht zu den jeweiligen Seiten verlaufenden Balken mit dem rechteckförmigen Rahmen verbunden. Im Endbereich zweier Balken, die am Rahmen angeordnet sind, sind jeweils schräg zueinander zwei piezoresistive Elemente zur Messung der Drehbeschleunigung angeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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In Anspruch 1 ist ein mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor zur Messung einer Drehbeschleunigung definiert, umfassend ein Substrat, eine seismische Masse, zumindest eine Aufhängung, die die seismische Masse an dem Substrat auslenkbar festlegt und zumindest ein piezoresistives und/oder piezoelektrisches Element zur Messung der Drehbeschleunigung, wobei das piezoresistive und/oder piezoelektrische Element in einer Aussparung der seismischen Masse angeordnet ist.
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In Anspruch 9 ist ein Verfahren zur Messung einer Drehbeschleunigung definiert, insbesondere geeignet zur Durchführung mit einem Drehbeschleunigungssensor gemäß zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte:
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Beaufschlagen einer seismischen Masse mit einer Kraft aufgrund einer Drehbeschleunigung und Messen einer Auslenkung der seismischen Masse aufgrund der Kraft, wobei das Messen der Auslenkung mittels zumindest eines piezoresistiven und/oder piezoelektrischen Elementes erfolgt und wobei das piezoresistive und/oder piezoelektrische Element in einer Aussparung der seismischen Masse angeordnet wird.
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In Anspruch 10 ist eine Verwendung eines Drehbeschleunigungssensors in Kraftfahrzeugen zur Detektion eines Kraftfahrzugüberschlags und/oder in mobilen Geräten als Mittel einer Mensch/Maschine-Schnittstelle definiert.
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In Anspruch 11 ist eine Verwendung eines Drehbeschleunigungssensors zur Positionierung eines Schreib-/Lesekopfes eines Massenspeichers, insbesondere einer Festplatte, eines Rechners definiert.
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Das piezoresistive Element kann dabei in Form von Silizium-Balken, Nanodrähten und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgebildet sein und/oder Silizium-Carbid und/oder ein Polymer umfassen. Das piezoresistive Element kann ebenfalls als aufgebrachte Metalldünnschicht und/oder in Form von in einen Träger eindiffundierten Materials ausgebildet sein. Schließlich kann das piezoresistive Element auch zweilagig aufgebaut sein, umfassend eine erste isolierende Lage, beispielsweise aus Siliziumoxid, und einer zweiten Lage in Form einer Metalldünnschicht als Dehnmessstreifen.
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Vorteile der Erfindung
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil ist, dass der Flächenbedarf eines mikromechanischen Drehbeschleunigungssensors verringert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass der mikromechanische Drehbeschleunigungssensor einfach und zuverlässig sowie kostengünstig hergestellt werden kann und das Verfahren zur Messung einer Drehbeschleunigung einfach und kostengünstig durchführbar ist.
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Unter Aussparung ist in der Beschreibung, insbesondere in den Ansprüchen nicht nur eine Aussparung zu verstehen, die lediglich einen Teilbereich der seismischen Masse ausnimmt, sondern ebenfalls ist unter Aussparung ein Zwischenraum zu verstehen, der zwischen zwei voneinander getrennten Bereichen einer mehrteilig ausgebildeten seismischen Masse angeordnet ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die seismische Masse einteilig oder mehrteilig ausgebildet. Ist die seismische Masse einteilig ausgebildet, kann die Aussparung beispielsweise im Zentrum der seismischen Masse angeordnet werden, was die Anordnung des piezoresistiven und/oder piezoelektrischen Elementes wesentlich vereinfacht. Bei einer mehrteiligen Ausbildung der seismischen Masse kann der Drehbeschleunigungssensor einfacher an vorgegebene Bedingungen angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zumindest eine Aufhängung in der Aussparung angeordnet. Der erzielte Vorteil dabei ist, dass der Platzbedarf für den mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor noch weiter gesenkt werden kann. Gleichzeitig ist die Aufhängung gegen äußere Beschädigungen geschützt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Biegebalken angeordnet, der einerseits mit der zumindest einen Aufhängung und andererseits mit dem Substrat auslenkbar angeordnet ist. Auf diese Weise ist eine einfache und genaue Messung der Auslenkung der seismischen Masse mittels des piezoresistiven und/oder piezoelektrischen Elementes möglich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die seismische Masse ringförmig ausgebildet. Der damit erzielte Vorteil ist, dass insgesamt die seismische Masse symmetrisch ausgebildet ist und somit über eine zentrale Aufhängung am Substrat festgelegt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die ringförmige Ausbildung die Aussparung im Zentrum der seismischen Masse auf besonders einfache Weise ausgebildet werden kann.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine Mehrzahl von Aufhängungen und eine Mehrzahl von Biegebalken angeordnet, wobei zumindest ein Biegebalken im Wesentlichen senkrecht zu einer jeweiligen Aufhängung angeordnet ist. Der damit erzielte Vorteil ist, damit auf zuverlässige Weise eine ausreichende Verformung, insbesondere Stauchung und/oder Dehnung des piezoresistiven und/oder piezoelektrischen Elementes ermöglicht wird. Damit wird eine einfache Messung der Auslenkung und damit der Drehbeschleunigung ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der zumindest eine Biegebalken als piezoresistives und/oder piezoelektrisches Element ausgebildet. Der damit erzielte Vorteil ist, dass auf diese Weise eine aufwändige Anordnung eines piezoresistiven und/oder piezoelektrischen Elementes am Biegebalken entfällt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; sowie
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4 eine Schaltung zur Auswertung von Signalen des zumindest einen piezoresistiven und/oder piezoelektrischen Elementes.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine ringförmig ausgebildete seismische Masse. Die seismische Masse 1 ist über vier jeweils im Winkel von im Wesentlichen 90° zueinander angeordneten Aufhängungen 2 über eine im Mittelpunkt der seismischen Masse 1 angeordneten zentrale Aufhängung 3, welche an einem Substrat 6 angeordnet, drehbar um eine z-Achse angeordnet. An jeder der Aufhängungen 2 sind links und rechts senkrecht zur jeweiligen Aufhängung 2 Biegebalken 4a angeordnet, die jeweils mit einem piezoresistiven Element 4 versehen sind. Die jeweiligen Biegebalken 4a an der jeweiligen Aufhängung 2 werden beispielsweise durch eine Auslenkung der seismischen Masse 1 im Uhrzeigersinn um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene jeweils gestaucht und auf der gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Aufhängung 2 jeweils gedehnt. Die Biegebalken 4a sind einerseits mit der jeweiligen Aufhängung 2, andererseits mittels Befestigungen 5 am Substrat 6 festgelegt.
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Aufgrund der Ringform der seismischen Masse 1 ist im Inneren der seismischen Masse 1 eine Aussparung 7 angeordnet, in der die vier Aufhängungen 2, die acht Biegebalken 4a sowie deren jeweilige Befestigungen 5 am Substrat 6 angeordnet sind.
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2 zeigt einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 2 ist im Wesentlichen ein mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zum mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor der 1 umfasst der mikromechanische Drehbeschleunigungssensor der 2 lediglich zwei Aufhängungen 2 entlang einer y-Achse und somit insgesamt vier Biegebalken 4a, die jeweils oberhalb und unterhalb der zentralen Aufhängung 3 der senkrecht zur Aufhängung 2 auf halber Strecke zwischen der zentralen Aufhängung 3 und dem jeweiligen Bereich der Festlegung der Aufhängung an der seismischen Masse 1 angeordnet sind.
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3 zeigt einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 3 ist im Wesentlichen ein mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor gemäß 2 gezeigt. Im Unterschied zur 2 ist die seismische Masse 1 nicht einstückig und ringförmig ausgebildet sondern zweiteilig ausgebildet, sodass sich zwei Teile 1a, 1b der seismischen Masse ergeben. Die jeweiligen Teile 1a, 1b der seismischen Masse 1 sind dabei über eine jeweilige Aufhängung 2 mit der zentralen Aufhängung 3 verbunden. An den jeweiligen Aufhängungen 2, die die zentrale Aufhängung 3 mit der jeweiligen seismischen Masse 1a, 1b verbinden, sind wie auch in 2 jeweils auf halber Strecke zwischen der zentralen Aufhängung 3 und der jeweiligen seismischen Masse 1a, 1b senkrecht zur jeweiligen Aufhängung 2 jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Aufhängung 2 Biegebalken 4a, versehen mit piezoresistiven Elementen 4, angeordnet. Die Aussparung 7 der seismischen Masse 1 ist gemäß 3 im Wesentlichen der Zwischenraum zwischen den beiden Teilen 1a, 1b der seismischen Masse 1 in dem die beiden Aufhängungen 2 der jeweiligen seismischen Teile 1a, 1b der seismischen Masse 1 angeordnet sind, sowie die jeweiligen Biegbalken 4a mit piezoresistiven Elementen 4 und die Befestigungen 5 der Biegebalken 4 am Substrat 6.
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4 zeigt eine Schaltung zur Auswertung von Signalen des zumindest einen piezoresistiven und/oder piezoelektrischen Elementes.
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In 4 ist ein Schaltplan für eine Auswerteschaltung für Signale der piezoresistiven Elemente 4 des mikromechanischen Drehbeschleunigungssensors gemäß 1 gezeigt.
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Die Auswerteschaltung umfasst dabei vier Widerstände 10, 11, 12, 13, wobei die Widerstände 10 und 12, sowie 11 und 13 in Serie geschaltet sind und die jeweils in Serie geschalteten Widerstände 10, 12 und 11, 13 parallel zueinander geschaltet sind. Wird nun ein piezoresistives Element 4, gemäß 4 dargestellt in Form eines Widerstandes 10, 11, 12, 13, gedehnt und das jeweils gegenüberliegende piezoresistive Element gestaucht, wird der Widerstand 12 des entsprechenden piezoresistiven Elementes 4 vermindert, wohingegen der Widerstand 13 des gegenüberliegenden piezoresistiven Elements 4 ansteigt.
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Werden nun elektrische Spannungen, zwischen den piezoresistiven Elementen 10 und 12 einerseits und andererseits zwischen den piezoresistiven Elementen 11 und 13 abgegriffen und diese beiden einem Differenzverstärker zugeführt, werden die Spannungen entsprechend verstärkt und können einer weiteren Verarbeitung zur Ermittlung der Drehbeschleunigung zugeführt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4996878 A [0006]
- GB 1344811 A [0007]
- WO 09109969 A [0008]
- JP 2008/107257 A [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "A structure of angular acceleration sensor using silicon cantilevered beam with piezoresistors", IEEE Conference on Industrial Electronics, Control, Instrumentation, and Automation, 1992 [0005]
