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Die
Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einer resonant schwingenden
Schwingstruktur mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten
Merkmalen.
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Stand der Technik
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Drucksensoren
der gattungsgemäßen Art
sind bekannt. Aus Buser, AMA-Seminar "Mikromechanik", 19. Oktober 1989, Heidelberg, ACS-Organisations
GmbH 1989, Seite 231 bis Seite 246, ist ein Drucksensor bekannt,
der eine resonant schwingende Schwingstruktur aufweist, wobei eine
druckabhängige Änderung
der Schwingung erfaßt
und ausgewertet wird. Für
die Empfindlichkeit eines derartigen Drucksensors ist die mechanische
Schwingungsgüte über den
zu detektierenden Druckbereich wichtig. Bei dem bekannten Drucksensor
ist nachteilig, daß die
Schwingungsgüte
auf einer druckabhängigen
Energieabstrahlung (Schallausbreitung) beruht. Dieser Effekt kann
sich in großen
Bereichen ändern,
beispielsweise wenn sich der Abstand der Schwingstruktur zu einem
feststehenden Substrat ändert.
Da die gattungsgemäßen Drucksensoren
beispielsweise einer robusten Umgebung, beispielsweise in Kraftfahrzeugen
eingesetzt werden, führen
schon geringfügige Änderungen
zu Empfindlichkeitseinbußen.
Ferner kann eine Beeinträchtigung
durch schallschluckende oder dämpfende
Bauteile in unmittelbarer Nähe
des Drucksensors zu einer Beeinträchtigung der Messempfindlichkeit
führen.
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Aus
der
DE 43 008 93 A1 ist
ein weiterer Drucksensor bekannt, bei dem eine resonant schwingende Schwingstruktur
als Sensorelement dient. Hierbei schwingt die Schwingstruktur zwischen
gegenüberliegenden feststehenden
Substraten, so dass eine Abstandsvariation eintritt. Infolge einer
Druckänderung
kommt es zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz, die über geeignete
Auswertemittel erfassbar ist. Durch den sich ändernden Abstand zwischen der
Schwingstruktur und den Substrat kommt es zu einer Beeinträchtigung
der Empfindlichkeit der Drucksensoren, da sich die Strömungsverhältnisse
zwischen der Schwingstruktur und dem Substrat mit ändernden
Abstand ebenfalls verändern
und so das Messergebnis verfälschen.
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Aus
der Schrift
DE 195
23 895 A1 ist ein Beschleunigungssensor mit einer beweglich
an einem Substrat aufgehängten
und aufgrund einer Beschleunigungseinwirkung in einer planaren Schwingungsbewegung auslenkbaren
Schwingstruktur bekannt. Zusätzlich
sind Auswertemittel zum Erfassen einer beschleunigungsbedingten
Auslenkung der Schwingstruktur vorgesehen. Um eine ideale Dämpfung zu
erreichen, die eine konstante Amplitude der Schwingung bis nahe
der Resonanzfrequenz mit anschließendem Abfall von 20 dB pro Frequenzdekade
bewirkt, wird der Beschleunigungssensor mittels einer Evakuierung
oder einer Kompression des umgebenden Mediums entsprechend eingestellt.
Die Abstandsänderung
der Schwingstrukturen von fest angeordneten Kapazitäten wird
dabei mittels einer geeigneten Lageregelungselektronik detektiert
und elektrostatisch auf Null gehalten werden.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Drucksensor
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den
Vorteil, dass ein überlastfester
Drucksensor geschaffen ist, dessen druckabhängige Änderung der mechanischen Schwinggüte exakt
vorhergesagt werden kann und damit eine sehr hohe Empfindlichkeit
in einem großen
Arbeitsbereich sichergestellt werden kann. Dadurch, dass der Abstand
zwischen der Schwingstruktur und dem Substrat während der Schwingung konstant
bleibt, kann sehr vorteilhaft dieser konstante Abstand, bei der
infolge einer Druckänderung
sich ergebende Dämpfung
der Schwingungen der Schwingstruktur bei der Auswertung berücksichtigt
werden. Meßfehler,
infolge eines sich ändernden
Abstandes, haben somit keine Auswirkungen auf das Meßergebnis.
Insbesondere ist vorteilhaft, daß die mechanische Schwinggüte der Schwingstruktur
exponentiell mit exponentiell fallenden Druck ansteigt, so daß sich die
Empfindlichkeit des Drucksensors bei insbesondere niedrigen zu messenden
Drücken,
insbesondere innerhalb eines großen Arbeitsdruckbereiches erhöht. Darüber hinaus
ergibt sich eine sehr kleine, für
das Meßergebnis zu
vernachlässigende,
Temperaturabhängigkeit,
die sich lediglich nur durch die theoretische Gastheorie des zu
messenden Gases (Druckmessung des Gases) bestimmt.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schwingstruktur
ein Linearschwinger oder ein Drehschwinger ist. Derartige Schwingstrukturen
lassen sich in einfacher Weise mittels bekannter Verfahren der Oberflächenmikromechanik,
beispielsweise durch Opferschichtätzen oder einer additiven Integrationstechnik
erzielen. Mittels dieser Verfahren sind hochpräzise Strukturen in geringen
Dimensionierungen erzielbar. Somit lassen sich Drucksensoren mit
Baugrößen im Mikrometerbereich
herstellen, deren Einsatz aufgrund der kleinen Baugröße ohne
Aufwand in vielfältiger
Weise möglich
ist.
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Ferner
ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Drucksensor
mehrere Schwingstrukturen mit unterschiedlich großem konstantem
Abstand zum Substrat aufweist. Durch eine derartige Kombination
an sich zweier Drucksensoren mit unterschiedlichen Abständen der
Schwingstrukturen zum Substrat lassen sich neben der Druckmessung
Rückschlüsse auf
das Mischungsverhältnisse
von Gasen ziehen, wenn das Gas Gasbestandteile mit unterschiedlichen
Moleküldurchmessern
besitzt.
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In
weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß der
Drucksensor als Drehratensensor mit Selbstüberwachung seines Arbeitsdruckes
eingesetzt wird. Hierdurch kann die Funktionsfähigkeit eines Drehratensensors,
wie er beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Beschleunigungserfassung
eingesetzt wird, laufend überwacht
werden. Der Meßbereich
des erfindungsgemäßen Drucksensors
fällt mit
dem Arbeitsdruckbereich der Drehratensensoren zusammen, so daß einerseits
eine Qualitätskontrolle
während
der Herstellung der Drehratensensoren und andererseits eine ständige Überwachung
während
des bestimmungsgemäßen Einsatzes
der Drehratensensoren erfolgen kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf einen Drucksensor in einer ersten Ausführungsvariante;
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2 eine
schematische Draufsicht auf einen Drucksensor in einer zweiten Ausführungsvariante;
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3 eine
Schaltungsanordnung zur Auswertung von Meßergebnissen in einem Blockschaltbild
und
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4 eine
Kennlinie der mechanischen Schwinggüte des erfindungsgemäßen Drucksensors.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
in Draufsicht einen Drucksensor 10. Der Drucksensor 10 umfaßt eine
Schwingstruktur 12, die aus einer Masse 14 besteht,
die über
Federn 16 mit Befestigungspunkten 18 eines Substrates 20 verbunden
ist. Die Anordnung der Schwingstruktur erfolgt so, daß in Draufsicht
gesehen, das Substrat 20 von der Papierebene gebildet wird,
und die Schwingstruktur 12, insbesondere die Masse 14 einen
Abstand d – in
der Darstellung nicht sichtbar, da in die Papierebene hineinbetrachtet – zu dem
Substrat 20 aufweist.
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Die
Herstellung der Schwingstruktur 14 kann beispielsweise
mittels Verfahren der Oberflächenmikromechanik
erfolgen, in dem eine den Abstand d ergebende Opferschicht unter
der Masse 14 und den Federn 16 entfernt, beispielsweise
weggeätzt
wird. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die Schwingstruktur 14 additiv auf das Substrat 20 zu
fügen.
Nach weiteren Ausführungsbeispielen
kann die Schwingstruktur 12 aus mehreren Einzelmassen 14 bestehen.
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Über geeignete,
an sich bekannte Maßnahmen
wird die Schwingstruktur 12 in resonante Schwingungen versetzt.
Hierzu kann nach einer ersten Ausführungsvariante die Schwingungsanregung
elektrostatisch erfolgen, indem elektrostatische Kammantriebe 22 vorgesehen
sind, bei den ein ortsfest, das heißt mit dem Substrat 20 verbundener
Kamm 24 fingerförmig
in einen mit der Masse 14 verbundenen Kamm 26 eingreift. Die
Kammstrukturen 22 werden mit einer pulsierenden Spannung
beauftragt, so daß zwischen
den Kämmen 24 und 26 elektrostatische
Anziehungskräfte
entstehen, die das Schwingen der Schwingstruktur 12 hervorrufen.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Schwingungsanregung besteht darin, die Schwingstruktur 12 mit
einem pulsierenden Strom zu beaufschlagen, der zwischen den Befestigungspunkten 18 über die
Federn 16 und die Masse 14 fließt. Gleichzeitig
wird senkrecht zur Strom flußrichtung
ein homogenes Magnetfeld angelegt, so daß durch die Lorentzkraft eine
Schwingungsanregung erfolgt.
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Darüber hinaus
besteht eine weitere Möglichkeit
der Schwingungsanregung in einer lokalen Erwärmung der Federn 16 mittels
einer pulsierenden Wärmequelle.
Hierdurch kann ein Ausdehnungsverhalten der Federn 16 nach
Art eines Bimetalleffektes zur Schwingungsanregung ausgenutzt werden.
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In
der 2 ist ein weiterer Drucksensor 10 in
einer anderen Ausführungsvariante
gezeigt. Gleiche Teile wie in 1 sind – trotz
eines teilweise unterschiedlichen Aufbaus – mit gleichen Bezugszeichen
versehen, und nicht nochmals zu erläutern. Der wesentliche Unterschied
der Drucksensoren 10 gemäß 2 und 1 besteht
darin, daß anstelle
einer linear schwingenden Schwingstruktur 12 (1)
eine Drehschwingungen vollziehende Schwingstruktur 12 vorgesehen
ist. Die Schwingmasse 14 ist hier mittels einer Feder 16 an einem
zentralen Befestigungspunkt 18 auf dem Substrat 20 aufgehangen
und ist mittels der Kammantriebe 22 in eine resonante Drehschwingung
versetzbar. Die Schwingstruktur 12 besitzt auch hier einen
definierten Abstand d zur Substratoberfläche.
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Das
Detektionsprinzip der beschriebenen Drucksensoren 10 beruht
auf einer druckabhängigen
Dämpfung
der Schwingstrukturen 12. Hierbei wird die mechanischen
Schwingungsgüte
einer resonant schwingenden Schwing struktur 12 (nachfolgend
auch Resonator 12 genannt) in einem bestimmten Druckbereich
durch den Druck sehr stark verändert,
was anhand sich einstellender Frequenzverhältnisse in der Resonanzfrequenzumgebung
detektiert werden kann. Diese Druckabhängigkeit beruht auf der Dämpfung durch
Gasmoleküle
in schmalen Spalten, hier dem Abstand d zwischen der Schwingstruktur 12 und
dem Substrat 20. Wenn sich ein bewegendes mechanisches
Bauteil in definiertem, kleinem Abstand zu einem feststehenden Substrat
befindet, bildet sich in dem im Zwischenraum befindlichen Gas ein
Strömungsprofil
aus, das als linear steigend angesehen werden kann. Während Gasmoleküle, die
sich direkt am festen Substrat 20 befinden, von der mechanischen
Bewegung der Schwingmasse 12 nicht beeinflußt werden,
werden Gasmoleküle
in direkter Umgebung der Schwingstruktur 12 mit der Geschwindigkeit
der Schwingstruktur 12 mitgerissen. Durch die Reibung der Gasmoleküle kommt
es zu einer geschwindigkeitsproportionalen Gegenkraft, die der Bewegung
der Schwingstruktur 12 entgegen gerichtet ist, also einer
Dämpfung
(Couette-Dämpfung).
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In 4 ist
der Zusammenhang zwischen einem Umgebungsdruck p und der mechanischen
Schwingungsgüte
Q beispielhaft für
eine 500 Hertz-Schwingstruktur 12 in Luft dargestellt.
Für den
Verlauf der Kennlinie sind zwei Unstetigkeitsstellen charakteristisch.
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Im
Druckbereich zwischen 1000 mBar (Atmosphärendruck) bis (in diesem Fall)
10 mBar ist ein geringer Anstieg der mechanischen Güte bei fallendem
Druck ersicht lich. Dieser Anstieg beruht darauf, daß die Viskosität von Luft
im Gegensatz zum idealen Gas nicht druckunabhängig ist. Für des ideale Gas gilt hier:
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Dabei
stehen Q für
die mechanische Schwingungsgüte,
d für den
Abstand zwischen Substrat 20 und Schwingungsstruktur 12, μGas für die Viskosität des Gases,
A für die
Fläche
der Schwingungsstruktur 12, m für deren Masse, h deren Höhe, ρ deren Dichte,
w0 für
dessen Eigenfrequenz sowie c für
die Federsteifigkeit der Aufhängung
(Federn 16). Im Druckbereich von 10 mBar bis 5 μBar steigt
die mechanische Schwingungsgüte stark
mit fallendem Druck an. Entscheidend für die Viskosität eines
Gases in lateral begrenzten Strukturen ist nämlich die mittlere freie Weglänge: Wenn
diese mittlere freie Weglänge
größer wird
als der minimale Abstand zwischen dem festen Substrat 20 und
der Schwingstruktur 12, deren Bewegung durch das Gas bedampft
wird, dann ist die Wahrscheinlichkeit des Zusammenstoßes eines
Gasmoleküls
mit der Schwingstruktur 12 höher als die Wahrscheinlichkeit,
daß zwei
Gasmoleküle
zusammenstoßen.
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Der
Zusammenhang zwischen mittlerer freier Weglänge l
c eines
Gasmoleküls
und der Viskosität
eines Gases μ ist
im folgenden dargestellt:
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Dabei
stehen lc für die mittlere freie Weglänge, k für die Boltzmannsche
Konstante, T für
die Temperatur, r für
den Gasmoleküldurchmesser,
v für die
mittlere Geschwindigkeit der Gasmoleküle, mGas für deren
Gewicht und p für
den Druck.
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Ist
die mittlere freie Weglänge
l
c größer als
der minimale Abstand d, wird in Gl. (4) l
c durch
d ersetzt. Eingesetzt in Gl. (2) ergibt sich für den Bereich l
c > d folgende Abhängigkeit
der mechanischen Güte
vom Druck:
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Der
kritische Druck p*, ab dem die wesentlich höhere Druckabhängigkeit
der mechanischen Schwingungsgüte
beginnt, ist im wesentlichen vom minimalen Abstand d abhängig.
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Ab
einem Druck von z. B. 5 μBar
ist keine weitere Gütezunahme
mehr möglich,
da ab hier die intrinsische Materialdämpfung dominiert. Dieser Wert
ist materialabhängig.
Aus der Literatur sind für
polykristallines Silizium Werte zwischen 20 μBar und 5 μBar bekannt. Für einkristallines
Silizium ist aufgrund der nahezu idealen Kristallografie ein wesentlich
niedrigerer Druck zu erwarten.
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Der
Meßbereich
des hier beschriebenen Drucksensors 10 wird daher zwischen
dem, konstruktiv über den
minimalen Abstand d bestimmten, kritischen Druck p* und dem oberen
Knickpunkt, definiert durch die intrinsische Materialdämpfung,
liegen.
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Die
Schwingungsstruktur
12 verhält sich für die jeweilige Umgebung seiner
Schwingungsmoden wie ein ideales Feder-Masse-System. Am Beispiel
eines Linearschwingers gilt:
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Dabei
stehen k für
die Dämpfung
und x für
die Auslenkung der Schwingstruktur
12, F für die Antriebskraft
(z. B. durch elektrostatische Kammantriebe
22) und w für die Kreisfrequenz
der Antriebskraft. Die gleichen Beziehungen gelten für rotatorische
Systeme bei Beachtung der Äquivalenzbeziehungen.
Die Systemantwort auf eine harmonische Anregung ist in Gl. (12)
dargestellt. Term 1 bezeichnet den transienten Anteil, während Term
B sin(wt – v)
die stationäre
Antwort liefert. Der Winkel v ist abhängig von der Kreisfrequenz
der Anregung und der Eigenfrequenz des Systems:
Für Frequenzen
w << w
0 ist
v ≈ 0;
Steigt
die Kreisfrequenz der Anregung, erreicht v für den Fall w = w
0 den
Wert –90°;
Für Frequenzen
w >> w
0 nähert sich
v dem Wert –180°;
Charakteristisch
sind hierbei die Frequenzen, bei denen v = –45° und v = –135° wird: Hier nimmt die Systemamplitude
gerade einen Wert ein, der der Hälfte
der Resonanzamplitude entspricht, diese Frequenzen werden aufgrund
ihrer Winkelbeziehung zur Resonanz auch 45°-Frequenzen bezeichnet. Aus
dem Verhältnis
beider Frequenzen kann die mechanische Güte des Systems errechnet werden:
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Eine
Auswertung der sich ergebenden Schwingungsverhältnisse wird anhand des in 3 gezeigten Blockschaltbildes
für eine
elektrostatisch angeregte Schwingstruktur mit kapazitiver Erfassung
der Auslenkung, erläutert.
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Ein
Mikro-Controller 28 steuert einen Frequenzgenerator 30 in
der Form, daß dessen
Frequenz bei konstanter Amplitude innerhalb eines festgelegten Frequenzbereichs
verändert
wird (hin und her wobbelt). Der Frequenzgenerator 30 liefert
ein Sinussignal, welches mit einem Gleichspannungsanteil DC 1 als
Antrieb des Resonators 12 dient und ihn auf der vom Frequenzgenerator 30 festgelegten
Frequenz in Schwingung versetzt. Die Bewegung des mikromechanischen
Resonators 12 folgt dabei Gl. (12). diese mechanische Bewegung
wird über
einer zweiten Kammstruktur 22, die mittels der Gleichspannungsquelle
DC 2 aufgeladen wurde, ausgelesen, indem die durch die Bewegung
verursachten Lade- und Entladeströme mittels Strom-Spannungswandler 32 (Operationsverstärker Op-Amp
in Verbindung mit Widerstand R) in eine der Bewegung proportionale
Sinusspannung umgewandelt wird. Aufgrund der Strom-Spannungs-Wandlung
(+90-Verschiebung) erscheint die Resonanzfrequenz bei einem Phasenwinkel
von 0°,
die 45°-Frequenzen
also bei ±45°.
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Phasenschieber 34 und 36 egalisieren
diese Verschiebung bei den 45°-Frequenzen.
Phasendiskriminatoren 38 und 40 vergleichen die
aus den Phasenschiebern 34 und 36 kommenden, der
mechanischen Bewegung der mikromechanischen Schwingstruktur 12 proportionalen
Sinusspannungen mit dem vom Frequenzgenerator 30 kommenden
Signal und liefern bei Übereinstimmung
der Phasen einen Impuls an den Mikro-Controller 28. Der
Phasendiskriminator 38 liefert genau dann ein Signal, wenn
die Frequenz des Generators der +45°-Frequenz des Systems entspricht
(also das der mechanischen Bewegung proportionale Signal genau +45° phasenverschoben
zum Antriebssignal ist), während
der Phasendiskriminator 40 bei der –45°-Frequenz des Systems einen
Impuls an den Mikro-Controller 28 liefert. Der Mikro-Controller 28 erkennt
anhand der Impulse die zugehörigen
Frequenzen aus seiner Ansteuerungstabelle des Frequenzgenerators 30 und
kann über die
Rechnung Gl. (13) den zugehörigen
mechanischen Gütefaktor
ermitteln, dem er aus einer Kalibrierungstabelle einen Druck zuordnet.
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Eine
weitere Form der Auswertung dieses Sensors kann realisiert werden,
indem das Sensorelement als mechanisches frequenzbestimmendes Glied
in einer Oszillatorschaltung eingebaut wird. Dazu wird die mechanische
Bewegung des Sensorelements über
eine Kammstruktur gemessen und die dieser Bewegung proportionale
Spannung verstärkt
als Antriebsspannung dem Sensor wieder zugeführt. In dieser Form der Rückkopplung
schwingt die Oszillatorschaltung auf der mechanischen Resonanzfrequenz
des Sensorelements. Die zur kontinuierlichen Schwingungsanregung
notwendige Verstärkerschaltung
egalisiert dabei die Dämpfungsverluste,
die entsprechend Gl. (8) druckabhängig sind. Je größer also
die Dämpfung
durch ansteigenden Druck wird, umso kleiner wird die mechanische
Güte und
umso größer muß der Verstärkungsfaktor
werden um die Struktur weiterhin in einer kontinuierlichen Schwingung
zu halten. Wird der Verstärkungsfaktor über eine
Regelung nachgeführt,
ist die elektrische Ausgangsspannung des Reglers als Regelgröße der Dämpfung und
damit dem Druck entsprechend Gl. (8) proportional. Bei einem Einsatz
dieses Sensors als Arbeitsdruckmonitor eines Drehratensensors ist
dieses Verfahren besonders vorteilhaft, da der Drehratensensor aufgrund
seiner Arbeitsweise genau dieses Schaltungskonzept mit Regelung
zur Bewegungserzeugung nutzt. Mechanische Bewegungen sind bei Drehratensensoren
notwendig, damit Drehgeschwindigkeiten Corioloskräfte im Sensorelement
hervorrufen.
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Neben
dem Einsatz des Drucksensors 10 als Absolutdruckmesser
kann dieser als Drehratensensor mit Selbstüberwachung seines Arbeitsdruckes
verwendet werden. Drehratensensoren in Oberflächenmikromechanik benötigen einen
Arbeitsdruck von ca. 0,5 bis 1 mBar, der in dem empfindlichen Druckbereich
des Drucksensors 10 von ca. 0,1 bis 20 mBar fällt. Hierdurch
wird es möglich,
daß der
Drehratensensor seinen eigenen Arbeitsdruck überwacht beziehungsweise den
Arbeitsdruck zusätzlich
mißt.
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Beispielhaft
kann dies ausgenutzt werden, bei einer Qualitätsüberwachung der Produktion von
Drehratensensoren. Beispielsweise kann man die Güte eines Drehra tensensors messen,
wenn man den Gehäuseinnendruck
nach Evakuierung des Gehäuses
mißt.
Ferner ist eine Leckage, infolge einer Druckänderung im Innenraum des Drucksensors
detektierbar.
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Neben
der Qualitätskontrolle
in der Produktion kann ein Selbstüberwachung der Drehratensensoren während ihres
bestimmungsgemäßen Einsatzes
erfolgen. Beispielsweise kann eine Abhängigkeit zwischen einer angelegten,
an sich notwendigen Antriebsspannung für die seismische Masse des
Drehratensensors überprüft werden,
ob diese ausreicht die geforderte Schwingungsamplitude des Sensors
zu erreichen. Ein Kriterium hierfür ist die mechanische Schwinggüte und ein
Betriebsdruck in einem zulässigen
Bereich. Mittels der zusätzlichen
Druckmessung können
diese Bereiche überwacht
werden und bei Überschreiten
der Bereiche auf einen Fehler des Drehratensensors geschlossen werden.
Durch ein hierdurch generiertes Signal kann eine Überprüfung beziehungsweise
Auswechslung veranlaßt
werden.
