DE1132368B

DE1132368B - Piezoresistiver Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE1132368B
Application number: DEW27272A
Authority: DE
Inventors: Jeofry Stuart Courtney-Pratt; Warren Perry Mason
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1959-02-18
Filing date: 1960-02-18
Publication date: 1962-06-28
Also published as: US2963911A; GB940730A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

W 27272 IXb/42 ο

ANMELDETAG: 18. F E B RU AR 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER

AUSLEGEscHRiBT t 28. JUNI 1962

Die Erfindung betrifft Beschleunigungsmesser mit Elementen aus piezoresistivem Material.

Es sind verschiedene Beschleunigungsmesser bekanntgeworden, die eine Anzeige der Beschleunigung (oder Verzögerung, d. h. der negativen Beschleunigung) in einer Richtung oder mehreren Richtungen geben. Im allgemeinen werden jedoch für bekannte Beschleunigungsmesser eine Vielzahl von Anzeigeelementen sowie Aufhängevorrichtungen und komplizierten zugehörigen Schaltungen benötigt, so daß diese Beschleunigungsmesser nur schwer herzustellen, zu justieren und in ihrer Justierung zu halten sind. Ferner ist die Empfindlichkeit der in den bekannten Beschleunigungsmessern verwendeten Elemente verhältnismäßig niedrig.

Es ist deshalb das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, die genannten und andere Nachteile von bekannten Beschleunigungsmessern zu vermeiden und die Empfindlichkeit von Beschleunigungsmessern wesentlich zu erhöhen.

In der Zeitschrift »Physical Review«, Bd. 34, Nr. 1 vom 1. April 1954, ist auf S. 42 veranschaulicht, daß eine in einer Achsrichtung ausgeübte Zugkraft eine Änderung des spezifischen Widerstandes in n- sowie p-Ieitendem Silizium und Germanium hervorruft. Außerdem ist durch »The Journal of the Acoustical Society of America«, Bd. 29, Nr. 10, Oktober 1957, S. 1096 bis 1101, bekanntgeworden, daß ein Stab aus piezoresistivem Material als Spannungsmesser und für die Messung von Kräften und sehr kleiner Verschiebungen benutzt werden kann, und zwar mittels einer Anordnung, bei welcher die Kraft auf einem Stab aus Germanium oder einem anderen geeigneten Material einen einfachen Zug oder Druck ausübt. Die jeweilige Widerstandsänderung kann dann mit der zu messenden Kraft oder Verschiebung in Beziehung gebracht werden.

Die Erfindung beruht demgegenüber auf der Erkenntnis, daß ein einteiliges Stück aus piezoresistivem Material, welches aus einer zentralen Masse und davon längs einer mit den kristallographischen Achsen eines Einkristalls zusammenfallenden Längsachse ausgehenden Paaren von Schenkeln besteht, sich für die Verwendung als Beschleunigungsmesser eignet. Eine weitere Erkenntnis besteht darin, daß Beschleunigungs-Vektor-Komponenten, die nicht mit der Längsachse eines gegebenen Schenkelpaares zusammenfallen, in einem einteiligen piezoresistiven Stück keine merkbare Zug- oder Druckwirkung auf die Schenkel ausüben. Die Ausrichtung der Schenkel mit der zentralen Masse kann genauer eingestellt werden, wenn Piezoresistiver Beschleunigungsmesser

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 18. Februar 1959 (Nr. 794 173)

Jeofry Stuart Courtney-Pratt, Springfield, N. J., und Warren Perry Mason, West Orange, N. J.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

die Ausrichtung bereits bei der Fertigung aus einem Einkristall erfolgte.

Erfindungsgemäß werden eine wesentliche Steigerung der Empfindlichkeit und eine wesentliche Vereinfachung durch die Verwendung eines Elementes erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Stück aus piezoresistivem Material eine zentrale Masse und mindestens ein Paar einander gegenüberliegender Schenkel aufweist, die von der Masse längs einer gemeinsamen Längsachse wegragen, wobei das Stück so aus einem Einkristall geschnitten ist, daß die gemeinsame Längsachse des bzw. jedes Schenkelpaares in vorbestimmter Weise zu den kristallographischen Achsen orientiert ist, so daß die elektrischen Widerstände der Schenkel des bzw. jedes Paares sich im umgekehrten Sinne ändern, wenn der eine Schenkel mit Zug und der andere Schenkel mit Druck belastet wird, an die Masse und an die äußeren Enden der beiden Schenkel elektrische Verbindungen angeschlossen sind und die Schenkel an ihren äußeren Enden mechanisch gehalten werden.

Als Haltemittel wird zweckmäßig ein Draht aus nichtleitendem Material benutzt. Der Rahmen wird fest an dem Objekt oder Fahrzeug, dessen Beschleunigung zu messen ist, befestigt. Der Rahmen kann selbstverständlich auch weggelassen werden, wenn die Enden der Schenkel direkt an einem festen Teil des Fahrzeuges so befestigt werden, daß die zentrale

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Masse und die Schenkel mit Ausnahme der Be- Achsen eines kubischen Kristalls definiert sind, d. h. f estigungsstellen frei beweglich sind. eine Anzahl der Elemente kann in irgendeiner der drei

Jedes der Schenkelpaare liegt in einem abgegliche- oder sogar mehr Ebenen geschnitten werden, die in nen elektrischen Kreis, der aus dem Gleichgewicht geeigneter Beziehung zu den kristallographischen kommt, wenn der Rahmen in einer Richtung beschleu- 5 Achsen des Einkristalls stehen, nigt oder verzögert wird, die parallel zu der gemein- In Fig. 1 ist ein piezoresistives Element mit einem

samen Längsachse des Schenkelpaares liegt oder zu- verbreiterten zentralen Teil 10 und aus diesem hermindest eine beachtliche Komponente parallel zu die- vorragenden, einander gegenüberliegenden, jedoch im ser Längsachse hat. Wenn die Geschwindigkeit des übrigen identischen Schenkeln 11 und 12 mit einer Objektes oder Fahrzeuges sich ändert, bewirkt die io gemeinsamen Längsachse dargestellt. Der zentrale Trägheit der zentralen Masse, daß auf einen Sehen- Teil 10 ist als kreisförmiger Zylinder dargestellt, kann kel Druck und auf den anderen Zug ausgeübt wird, jedoch auch ein Würfel oder irgendein anderer geowodurch der Widerstand eines Schenkels erhöht und metrischer Körper sein, der zur gemeinsamen Längsder des anderen Schenkels erniedrigt wird, wie später achse der Schenkel 11 und 12 symmetrisch ist. Das eingehender beschrieben werden wird. 15 piezoresistive Element wird in einem mechanisch

Jeder Kreis enthält ein Anzeigeinstrument, das den festen, elektrisch nicht leitenden Rahmen 8 gehalten, Grad angibt, um den der Kreis aus dem Gleich- wobei die äußeren Enden der Schenkel 11 und 12 gewicht gebracht ist, wodurch eine der Beschleuni- zweckmäßigerweise etwas verbreitert sind, um eine gung oder Verzögerung in der Richtung der gemein- größere mechanische Festigkeit zu erzielen, und mesamen Längsachse des zugehörigen Schenkelpaares 20 chanisch fest am Rahmen 8 befestigt sind, beispielsproportionale Anzeige erhalten wird. weise mittels eines gut haftfähigen Materials. In der

Vorteile der Erfindung ergeben sich eingehender Ruhelage soll der Rahmen 8 weder Zug noch Druck aus der ins einzelne gehenden Beschreibung von in der auf die Enden der Schenkel 11 und 12 ausüben. Der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen; in zentrale Teil 10 soll ausreichend groß sein, um eine dieser zeigt 25 beachtliche Masse zu ergeben, und der Querschnitt

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines der Schenkel 11 und 12 soll so klein wie mit Rückpiezoresistiven Elements mit Halterahmen, sieht auf die angreifenden mechanischen Kräfte mög-

Fig. 2 A und 2 B bevorzugte Orientierungsrichtun- lieh gemacht werden.

gen für die Schenkelachsen des piezoresistiven EIe- Anschlußleitungen 1, 2 und 5 sind an den in Fig. 1

ments mit Bezug auf die kristallographischen Achsen 30 gezeigten Stellen des piezoresistiven Elements angedes Einkristalls, aus dem das piezoresistive Element schlossen, d. h. an die Enden der Schenkel 11 und 12 geschnitten ist, und an die Stirnfläche 15 des zentralen Teils 10, und

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild eines einfachen zwar in zur Herstellung elektrischer Anschlüsse an Kreises, solche Elemente ohne Änderung der Leitfähigkeits-

Fig. 4 schematisch eine Form eines piezoresistiven 35 type des Materials bei oder in der Nähe des AnElements und Halterahmens für einen komplizierteren Schlußpunktes geeigneter Weise. Beschleunigungsmesser, Welches Verfahren auch zum Anschluß der Lei-

Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild eines komplizier- tung benutzt wird, es sollte, wie oben erwähnt, dafür teren Beschleunigungsmessers, Sorge getragen werden, daß die Leitfähigkeitstype des

Fig. 6 schematisch eine Form eines piezoresistiven 40 piezoresistiven Materials nicht geändert wird. Elements und Halterahmens, die für einen für alle Das piezoresistive Element 10 mit den einander

Richtungen geeigneten Beschleunigungsmesser ge- gegenüberliegenden Schenkeln 11 und 12 ist aus eignet ist, einem Einkristall des zu benutzenden piezoresistiven

Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild eines Allrichtungs- Materials geschnitten, vorzugsweise aus Silicium oder beschleunigungsmessers, 45 Germanium, die entweder p-leitend oder n-leitend

Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild eines ersten, ein- sein können, wobei die Leitfähigkeitstype einheitlich fachen Kreises zur Anzeige der Beschleunigung oder durch das ganze Element gleich ist. Verzögerung gegenüber einer bestimmten Bezugs- Wenn das piezoresistive Element aus p-leitendem

richtung und oder η-leitendem Germanium oder aus p-leitendem

Fig. 9 ein elektrisches Schaltbild eines zweiten ein- 50 Silicium hergestellt wird, soll es zweckmäßigerweise fachen Kreises zur Anzeige der Beschleunigung oder so aus dem Einkristall geschnitten werden, daß die Verzögerung mit Bezug auf eine bestimmte Bezugs- gemeinsame Längsachse der Schenkel 11 und 12 parrichtung. allel zur (lll)-Richtung mit Bezug auf die kristallo-

Die in Fig. 3, 5, 7, 8 und 9 dargestellten Schaltun- graphischen Achsen des Kristalls geschnitten wird, gen bilden keinen Teil der Erfindung. Diese ist in 55 um ein Element mit der höchstmöglichen Empfindden Ansprüchen niedergelegt. lichkeit für die Zwecke der Erfindung zu erhalten.

In der folgenden Beschreibung werden zur Be- Wenn das Element so geschnitten wird, daß die gezeichnung der Orientierungen der Schenkelarme in meinsamen Längsachsen der Arme 11 und 12 parallel den piezoresistiven Elementen gegenüber den kristal- zu einer »110«-Richtung liegen, d. h. (110), (TTO), lographischen Achsen des Einkristalls, aus dem diese 60 (TlO) und (ITO), ist die Empfindlichkeit für die geschnitten sind, die kristallographischen Indizes nach Zwecke der Erfindung etwa dreiviertel der Emfind-Mi 11 er benutzt. lichkeit, die bei der obengenannten Orientierung in

Wie bekannt, haben die piezoresistiven Materialien, Richtung (111) erhalten wird. Richtungen, die den wie Silicium und Germanium, kubischen Kristallauf- obengenannten innerhalb ±15° nahe kommen, erbau, und dementsprechend kann eine Anzahl der Zu- 65 geben noch Widerstandsänderungen ausreichender Ordnungen, die für die in den erfindungsgemäßen Größe, die Empfindlichkeit fällt jedoch zunächst Einrichtungen zu benutzenden Gebilde auf Ebenen langsam und dann schneller mit der Winkelabweibezogen werden, die durch irgendein Paar der drei chung von der idealen Orientierung.

In entsprechender Weise soll eine Einrichtung aus η-leitendem Silicium aus einem Einkristall geschnitten werden, wobei die gemeinsame Längsachse der Schenkel 11 und 12 parallel zu einer der drei Kristallachsen orientiert ist.

Die Kristallachsen a_v a₂ und a₃ von kubischen Kristallen, wozu auch Germanium und Silicium gehören, sind orthogonal zueinander, wie durch die durchgezogen gezeichneten Pfeile a_v a₂ und a_s veranschaulicht wird, die in Fig. 2 A und 2 B vom Nullpunkt O ausgehend gezeichnet sind.

In Fig. 2 A sind die vier »110«-Richtungen in der von den Achsen Ci₁ und a., definierten Ebene durch gebrochen gezeichnete Pfeile 21, 22, 23 und 24 dargestellt. Alle vier gebrochen dargestellten Pfeile 21 bis 24 liegen in der Ebene, die die Achsen a_t und α._λ enthält, und schließen mit jeder der beiden Achsen U₁ und α., (oder deren »negativen« Verlängerungen in drei Quadranten, die in Fig. 2 A nicht nach vorn zeigen) gleiche Winkel (45°) ein.

Wie bereits erwähnt, ist es bei Kristallen aus Materialien wie Germanium und Silicium, die kubischen Kristallaufbau haben, unbeachtlich, welche beiden der drei Achsen a_v a₂ und «₃ zur Festlegung der Ebene ausgewählt werden, in der die vier »110«-Richtungen 21 bis 24 liegen sollen.

In Fig. 2 B ist die (lll)-Richtung durch den gebrochen dargestellten Pfeil 25 dargestellt, der mit allen drei Achsen a_v «., und a._A gleiche Winkel einschließt.

In Fig. 3 ist eine elektrische Schaltung zur Verwendung mit dem Element nach Fig. 1 schematisch dargestellt. Die Widerstände 31 und 32 stellen die elektrischen Widerstände der Schenkel 11 bzw. 12 dar. Die Anschlüsse 1, 2 und 5 in Fig. 3 entsprechen den gleich bezeichneten Anschlüssen in Fig. 1. Zur Vervollständigung einer vierarmigen Brücke der allgemein als Wheatstone-Brücke bekannten Art liegt ein Potentiometer 36 zwischen den Anschlüssen 1 und 2, wie in Fig. 3 dargestellt, wobei der Gesamtwiderstand des Potentiometers 36 zweckmäßig gleich der Summe der beiden Widerstände 31 und 32 ist, wenn die Einrichtung nach Fig. 1, natürlich einschließlich des Halterahmens 8, in der Ruhelage ist. Die Widerstände 31 und 32 sind zweckmäßig praktisch identisch (d. h. die Schenkel 11 und 12 in Fig. 1 sind zweckmäßigerweise praktisch identisch). Eine kleine Differenz zwischen den Widerständen der Schenkel 11 und 12, d. h. zwischen den Widerständen 31 und 32, kann natürlich durch sorgfältige Justierung des Potentiometerabgriffs 38 kompensiert werden, so daß sich die Brücke im Gleichgewicht befindet. Die Brücke besteht dann aus den Widerständen 31 und 32 und dem oberen und unteren Teil des Potentiometers 36, das bei der Stellung des Abgriffs 38 aufgeteilt ist.

Wechselstrom wird aus einer Quelle 30 über einen Transformator 34 an die Klemmen 1 und 2, wie in Fig. 3 dargestellt, geliefert. Die Klemmen 1 und 2 bilden einen der beiden Diagonalzweige der Brücke. Der zweite Diagonalzweig, d. h. der Abgriff 38 des Potentiometers 36 und Anschluß 5 enthält eine Anzeigeeinrichtung, ζ. Β. ein Galvanometer 40.

Der Rahmen 8 wird mechanisch fest mit dem Fahrzeug verbunden, dessen Beschleunigung gemessen werden soll, so daß, sobald das Fahrzeug in einer zur gemeinsamen Längsachse der Schenkel 11 und 12 parallelen Richtung (oder einer Richtung mit einer beachtlichen Komponente in dieser Richtung) beschleunigt wird, die Trägheit der zentralen Masse 10 dafür sorgt, daß einer der Schenkel unter Zugspannung und der andere unter Druckspannung gesetzt wird, wodurch der Widerstand eines Schenkels erhöht und der des anderen Schenkels erniedrigt wird.

Wenn sich die Brücke im Ruhezustand des Gebildes nach Fig. 1 (d. h. in Ruhelage oder in gleichförmiger Geschwindigkeit) im Gleichgewicht befindet, zeigt das Galvanometer 40 Null. Wenn sich die Geschwindigkeit der Einrichtung in einer nicht rechtwinklig zur Richtung der gemeinsamen Längsachse der Schenkel 11 und 12 verlaufenden Richtung ändert, erhöht sich der elektrische Widerstand eines Schenkels, und der des anderen Schenkels erniedrigt sich, wie oben erwähnt, wodurch die Brücke aus dem Gleichgewicht kommt und auf dem Galvanometer 40 eine Anzeige hervorruft, deren Größe proportional der Ungleichheit ist, die wiederum proportional der Geschwindigkeitsänderung (d. h. der Beschleunigung

zo oder Verzögerung) des Fahrzeuges ist, an das der Tragrahmen 8 des Gebildes nach Fig. 1 montiert ist.

Theoretisch sollte eine Geschwindigkeitsänderung

im rechten Winkel zur gemeinsamen Längsachse der Schenkel 11 und 12 die Widerstände der beiden Schenkel in gleicher Weise beeinflussen und dadurch keine Gleichgewichtsstörung der Brücke hervorrufen. Praktisch ist jedoch ein exakter Abgleich schwer zu realisieren, und normalerweise wird eine kleine Anzeige erhalten. Wo, wie genauer in Verbindung mit komplizierteren Einrichtungen, beispielsweise nach Fig. 4 und 6, beschrieben werden wird, zwei oder drei orthogonale Schenkelpaare benutzt werden, kann eine gegenseitige Kompensation der kleinen Anzeigen jedes der verschiedenen Paare, die im rechten Winkel zur Beschleunigungsrichtung stehen, durch »Rückkopplungs«-Kreise realisiert werden, die die Anzeigekreise miteinander verbinden. Wahlweise können natürlich auch zwei oder mehr Kreise der in Fig. 3 veranschaulichten Art, deren entsprechende Gebilde nach Fig. 1 orthogonal zueinander angeordnet sind, offensichtlich ebenfalls eine gegenseitige Kompensation enthalten. Wenn es erforderlich ist, Anzeigen für Beschleunigung oder Verzögerung eines Fahrzeuges in irgendeinen Winkel in einer Ebene zu erhalten, können entweder zwei Elemente nach Fig. 1 verwendet werden, die in voneinander unabhängigen Kreisen der in Fig. 3 veranschaulichten Art liegen und die so montiert sind, daß die gemeinsamen Längsachsen der Schenkelpaare rechtwinklig zueinander liegen, oder die kompliziertere Einrichtung nach Fig. 4, die in einem komplizierteren Kreis nach Fig. 5 liegt.

In Fig. 4 ist ein Element mit einer zentralen Masse 20 und zwei Paaren von einander gegenüberliegenden Schenkeln 13, 14 und 17, 18 abgebildet. Die Schenkel 13 und 14 haben eine gemeinsame Längsachse, ebenso die Schenkel 17 und 18. Das Element ist aus einem Germanium- oder Siliciumeinkristall geschnitten.
Wenn das Element aus einem η-leitenden oder p-leitenden Germaniumeinkristall geschnitten ist, sollen die Schenkel 13, 14, 17 und 18 mit Bezug auf die krisiallographischen Achsen in »110«-Richtungen orientiert sein. Zum Beispiel können die Schenkel 13 und 14 in der (HO)- bzw. (TIO)-Richtung orientiert sein, wie in Fig. 2 A veranschaulicht, und die Schenkel Π und 18 in der (ITO)- bzw. (TlO)-Richtung hegen, wie in Fig. 2 A veranschaulicht, oder umgekehrt. Wie bereits gesagt, können zwei beliebige der

drei kristallographischen Achsen a_v a₂ und a₃ zur Festlegung der Ebene benutzt werden, in der die »IKk-Richtungen liegen sollen.

Wenn das Element aus einem Einkristall aus η-leitendem Silicium geschnitten wird, soll die gemeinsame Längsachse der Schenkel 13 und 14 parallel zu einer der drei kristallographischen Achsen a_v a.₂ oder a_s liegen und die gemeinsame Längsachse der Schenkel 17 und 18 parallel zu einer der beiden übrigen kristallographischen Achsen.

Wenn das Element aus einem Einkristall aus p-leitendem Silicium geschnitten wird, soll die Richtung der Schenkel 13, 14, 17 und 18 mit »110«-Richtungen übereinstimmen, wie oben für Elemente aus Germanium beschrieben ist.

Der Rahmen 21 ist elektrisch nicht leitend, mechanisch fest und hält die äußeren Enden aller vier Schenkel 13, 14, 17 und 18 fest. In der Ruhelage übt Rahmen 21 weder Zug noch Druck auf die Schenkel neten, jedoch nicht gestrichenen Elementen im oberen rechten Teil der Schaltung nach Fig. 5, wie oben beschrieben, und sind auch in gleicher Weise miteinander verbunden. Die Sekundärwicklungen der Transformatoren 50 und 50' liegen in Reihe mit einem Potentiometer, das einen Widerstand 52 und einen Abgriff 54 enthält, wodurch eine »Rückkopplung« von einem Kreis zum anderen so eingestellt werden kann, daß die kleine Restanzeige, die in einem der

ίο Galvanometer 40,40' erhalten werden kann, wenn die Beschleunigung rechtwinklig zur gemeinsamen Längsachse des zugehörigen Schenkelpaares der Einrichtung nach Fig. 4 verläuft, kompensiert werden kann. Mit Ausnahme der Transformatoren 50, 50' und ihrer Verbindung besteht die Schaltung nach Fig. 5 offensichtlich aus zwei Brücken der in Fig. 3 veranschaulichten und oben eingehender beschriebenen Art. Da jedoch die beiden Kreise in Fig. 5 an zwei zueinander orthogonale Schenkelpaare der Einrich-

aus. Die Schenkel können in geeigneter Weise am 20 tung nach Fig. 4 angeschlossen sind, zeigen die bei-

Rahmen 21 befestigt werden, beispielsweise durch einen gut haftenden Stoff. Die elektrischen Anschlüsse werden in der in Verbindung mit Fig. 1 erwähnten Weise hergestellt. Der Anschluß an die zentrale Masse 20 bei 15 ist als Anschluß Nr. 5 bezeichnet, und die elektrischen Anschlüsse an die äußeren Enden der Schenkel 13, 14, 17 und 18 sind durch die Anschlüsse Nr. 1, 2, 3 bzw. 4, wie in Fig. 1 veranschaulicht, bezeichnet. Der Rahmen 21 ist natürlich den Galvanometer 40, 40' Beschleunigungen in bezug auf orthogonal zueinander stehende Richtungen an, so daß die Richtung und Größe der Beschleunigung in irgendeinem Winkel innerhalb der Ebene der beiden Schenkelpaare aus den Anzeigen der beiden Galvanometer bestimmt werden kann.

In Fig. 6 ist eine noch kompliziertere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, die eine zentrale Masse umfaßt, an der drei zueinander orthogonale

dazu bestimmt, fest an dem Fahrzeug, dessen Be- 30 Schenkelpaare 61, 62; 63, 64 und 65, 66 sich befin-

schleunigung zu messen ist, befestigt zu werden. Er kann natürlich selbst wieder ein fester Teil des Fahrzeuges sein, an dem die Enden der Schenkel 13, 14, 17 und 18 befestigt sind.

In Fig. 5 sind elektrische Kreise veranschaulicht, die einem Element nach Fig. 4 zwecks Messung der Beschleunigung oder Verzögerung eines Fahrzeuges, an dem Rahmen 21 befestigt ist, zugeordnet werden können.

Eine geeignete Wechselstromquelle 30 ist an die Eingangswicklungen von zwei praktisch identischen Transformatoren 34 und 34', die einander parallel geschaltet sind, angeschlossen. Die Ausgangswicklung des Transformators 34 ist an die Klemmen 1 und 2 des Gebildes nach Fig. 4 angeschlossen, und der Widerstand 36 eines Potentiometers, das einen Abgriff 38 aufweist, liegt ebenfalls an diesen beiden Anschlüssen 1 und 2, wie in Fig. 5 dargestellt.

Die Widerstände 113 und 114 in Fig. 5 stellen die den, die in einem festen Rahmen aus elektrisch nicht leitendem Material gehaltert sind, der die Teile 70 und 72 umfaßt. An die äußeren Enden der Schenkel 61 bis 66 sind elektrische Verbindungen angeschlossen, dfiPdurch die Klemmen Nr. 1 bis 6 bezeichnet sind. Ein elektrischer Anschluß an die zentrale Masse 60 bei 68 ist mit der Bezugsziffer 7 bezeichnet. Die zentrale Masse 60 und die Schenkel 61 bis 66 sind aus einem Einkristall aus Silicium als ein Element geschnitten. Die gemeinsame Längsachse jedes der drei Schenkelpaare soll parallel zu einer der kristallographischen Achsen α,, a₂ und a_s (wie in Fig. 2A veranschaulicht) des Einkristalls, aus dem das Element geschnitten ist, liegen. Der aus den Teilen 70, 72 bestehende Rahmen wird fest an dem Fahrzeug befestigt, dessen Beschleunigung oder Verzögerung gemessen werden soll.

Eine Form eines in Verbindung mit dem Gebilde nach Fig. 6 brauchbaren elektrischen Kreises ist in

elektrischen Widerstände der Schenkel 13 und 14 des 50 Fig. 7 dargestellt. Eine Wechselstromquelle 30 ist an

die Eingangswicklungen der drei Transformatoren 34, 34' und 34", die parallel geschaltet sind, angeschlossen. Die drei Ausgangswicklungen dieser Transformatoren sind an die Klemmen 1, 2; 3, 4 und 5, 6 des

schaltet enthält, liegt zwischen dem Abgriff 38 und 55 Gebildes nach Fig. 6 angeschlossen. Die Widerstände Klemme 5. Die gemeinsame Klemme 5 ist im Schalt- 161 bis 166 repräsentieren die Widerstände der

Schenkel 61 bis 66 in Fig. 6, und die Klemme 7, die in der Schaltung Fig. 7 dreifach dargestellt ist, um die Darstellung der Kreise zu vereinfachen, ist ein und derselbe Anschluß, d. h. Klemme 7 in Fig. 6, die an die zentrale Masse 60 angeschlossen ist.

Offensichtlich umfaßt die Schaltung nach Fig. 7 drei Brückenkreise der in Fig. 3 veranschaulichten und bereits näher beschriebenen Art, mit Ausnahme stände der Schenkel 17 und 18 des Gebildes nach 65 der Kompensationstransformatoren 80, 80' und 80" Fig. 4 repräsentieren. Das Potentiometer 36'-38', GaI- und deren Verbindungen. Entsprechende Schaltvanometer 40' und der Transformator 50' sind prak- elemente in den drei Kreisen sind mit gleichen Betisch gleich den mit gleichen Bezugszahlen bezeich- zugszahlen bezeichnet, im zweiten Kreis sind diese je-

Gebildes nach Fig. 4 dar. Der Anschluß 5 repräsentiert den Anschluß an die zentrale Masse 20 und ist geerdet. Ein Kreis, der an Galvanometer 40 und eine Wicklung eines Transformators 50 hintereinanderge-

bild Fig. 5 zweimal dargestellt, um die Darstellung der Kreise zu vereinfachen.

Die Ausgangswicklung des Transformators 34' ist an einen dem soeben in Verbindung mit Transformator 34 beschriebenen Kreis identischen Kreis angeschlossen, nur daß er an die Klemmen 3 und 4 des Gebildes nach Fig. 4 angeschlossen ist und die Widerstände 117 und 118 deshalb die elektrischen Wider-

doch gestrichen und im dritten Kreis doppelt gestrichen, wie aus Fig. 7 hervorgeht.

Die Kompensationstransformatoren 80, 80' und 80" weisen je drei Wicklungen auf, von denen eine in Reihe mit den Galvanometern 40, 40' bzw. 40" und Klemme 7 liegt, während die beiden anderen dazu benutzt werden, den Diagonalarm der Brücke, in der der betreffende Transformator liegt, mit dem Transder betreffende Transformator liegt, mit den Transformatoren in den entsprechenden Diagonalen der anderen beiden Brückenkreise in der gezeigten Weise zu verbinden. Die Potentiometer 152-154; 152'-154' und 152"-154" erlauben die Einstellung des »Rückkopplungs«-Grades zwischen jedem der Brückenkreise und den anderen Brückenkreisen, um die kleine Restanzeige zu kompensieren, die in einem der Galvanometer 40, 40' oder 40" auftreten kann, wenn die Beschleunigung rechtwinklig zur gemeinsamen Längsachse des zugeordneten Schenkelpaares in dem Gebilde nach Fig. 6 liegt.

Da die drei in Fig. 7 dargestellten Kreise an die drei orthogonal zueinander liegenden Schenkelpaare des Elements nach Fig. 6 angeschlossen sind, zeigen die Anzeigen der drei Galvanometer 40, 40' und 40" in Fig. 7 eine Beschleunigung des Fahrzeuges, an dem Rahmen 70, 72 befestigt ist, in jeder beliebigen Richtung an.

Selbstverständlich können praktisch gleichwertige Resultate auch dadurch erzielt werden, daß drei orthogonal zueinander angeordnete Elemente nach Fig. 1, die je in einem Kreis nach Fig. 3 liegen, benutzt werden, oder daß zwei orthogonal zueinander angeordnete Einrichtungen nach Fig. 4, die dann in einem Kreis nach Fig. 5 liegen, benutzt werden.

Da für entgegengesetzte Richtungen der Beschleunigung, die parallel zur gemeinsamen Längsachse der Schenkel 11 und 12 nach Fig. 1 verläuft, die Wirkung auf die Widerstände 31 und 32 der Schenkel 11 und 12 umgekehrt ist (d. h. wenn für eine Richtung der Widerstand 31 sich erhöht und 32 erniedrigt, erniedrigt sich für die andere Richtung Widerstand 31, und 32 erhöht sich) zeigt die Richtung des Ausschlages des Galvanometers 202 nach Fig. 8 an, in welcher Richtung längs der gemeinsamen Längsachse der Schenkel 11 und 12 nach Fig. 1 das Fahrzeug, an dem der Rahmen 8 befestigt ist, beschleunigt oder verzögert wird.

In Fig. 9 ist ein weiterer einfacher Kreis zur Verwendung in Verbindung mit dem Element nach Fig. 1 dargestellt, der ebenfalls ähnlich der Schaltung nach Fig. 3 ist, nur das Transformatoren 204 und 206 sowie ein Phasenmesser 208 hinzugefügt sind. Der Phasenmesser 208 vergleicht die Phasenlage der von Quelle 30 gelieferten Spannung mit der Phasenlage des durch den Brückenzweig, in dem das Galvanometer 40 liegt, fließenden Stromes. Wie in Verbindung mit Fig. 3 erläutert, zeigt das Galvanometer 40 die Größe der Beschleunigung oder Verzögerung an. Der Phasenmesser 208 in Fig. 9 liefert eine Anzeige der Richtung mit Bezug auf die gemeinsame Längsachse der Schenkel 11 und 12 in Fig. 1, in der die Beschleunigung oder Verzögerung auf den Rahmen 8 nach Fig. 1 wirkt.
Zahlreiche und verschiedene Abänderungen der Teils eines der piezoresistiven Elemente dadurch erhöht werden, daß ein Harz oder Blei oder irgendein anderes Material symmetrisch darauf angebracht wird, und es sind die verschiedensten Formen und Abmessungen des zentralen Teils und der Schenkelpaare möglich.

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoresistiver Beschleunigungsmesser, da durch gekennzeichnet, daß ein Stück aus piezoresistivem Material eine zentrale Masse und mindestens ein Paar einander gegenüberliegender Schenkel aufweist, die von der Masse längs einer gemeinsamen Längsachse wegragen, wobei das Stück so aus einem Einkristall geschnitten ist, daß die gemeinsame Längsachse des bzw. jedes Schenkelpaares in vorbestimmter Weise zu den kristallographischen Achsen orientiert ist, so daß die elektrischen Widerstände der Schenkel des bzw. jedes Paares sich im umgekehrten Sinne ändern, wenn der eine Schenkel mit Zug und der andere Schenkel mit Druck belastet wird, an die Masse und an die äußeren Enden der beiden Schenkel elektrische Verbindungen angeschlossen sind und die Schenkel an ihren äußeren Enden mechanisch gehalten werden.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 mit mehreren Paaren diametral entgegengesetzt weisende Schenkel, dadurch gekennzeichnet, daß der Einkristall aus Germanium oder Silicium besteht und die gemeinsamen Längsachsen der Schenkelpaare zueinander orthogonal sind.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material n-leitendes Silicium ist und die gemeinsame Längsachse jedes Paares in einer Richtung parallel zu einer der kristallographischen Achsen des Einkristalls, aus welchem das piezoresistive Stück geschnitten ist, orientiert ist.

4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material p-leitendes Germanium, η-leitendes Germanium oder p-leitendes Silicium ist und die gemeinsame Längsachse des bzw. jedes Schenkelpaares in einer Richtung durch eine Linie orientiert ist, die in der Ebene von zwei kristallographischen Achsen liegt, vom Schnittpunkt dieser Achse ausgeht und gleiche Winkel mit den beiden kristallographischen Achsen des Einkristalls, aus dem das piezoresistive Stück geschnitten ist, einschließt.

5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Längsachse des Schenkelpaares in eine Richtung orientiert ist, welche parallel zur Richtung einer Linie verläuft, die vom Schnittpunkt der kristallographischen Achsen ausgeht und mit allen drei kristallographischen Achsen des Einkristalls, aus welchem das piezoresistive Stück geschnitten ist, gleiche Winkel einschließt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Zeitschrift »Physical Review«, Vol. 94, Nr. 1 vom April 1954, S. 42ff.;

Zeitschrift »The Journal of the Acoustical So-

Nr. 10 vom Oktober

beispielsweisen Ausführungsformen der Erfindung 65 ciety of America«, Vol. 29, sind möglich. So kann z. B. die Masse des zentralen 1957, S. 1096 bis 1101.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen