DE4015464A1 - Doppelt-integrierende silicium-beschleunigungserfassungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Beschleunigungs­ erfassungseinrichtungen und insbesondere Mikro-be­ arbeitete Beschleunigungserfassungseinrichtungen, die die Strecke erfassen, die von einem Objekt zurück­ gelegt wurde.

Beschleunigungserfassungseinrichtungen wie Be­ schleunigungsmesser werden in vielfältiger kommerzieller und militärischer Anwendung benutzt. Die Automobil­ industrie verwendet beispielsweise Beschleunigungs­ messer zum Aktivieren bestimmter Sicherheitsvorrichtungen wie Luftsäcke während Unfällen. Bei militärischen An­ wendungen helfen Beschleunigungsmesser, die Geschwindig­ keit oder die zurückgelegte Strecke eines Geschosses oder Projektils während des Fluges zu messen. Dies er­ möglicht es, den Zünder des Geschosses oder Projektils nach einer geeigneten Strecke entlang der Flugbahn zu schärfen. Solche Beschleunigungsmesser erfordern auf­ wendige elektronische Schaltungen, um eine Zeitmessung zu ermöglichen. Die Zeit und die Ausgangssignale des Beschleunigungsmessers werden in einem Mikrocomputer kombiniert, der die Ausgangssignale über die Zeit inte­ griert, um die Geschwindigkeit oder zurückgelegte Strecke zu ermitteln.

Im militärischen Bereich enthalten durch Beschleunigung angetriebene Einrichtungen üblicherweise eine mecha­ nische Geschwindigkeitsauslösung, die mit einem ex­ zentrischen Rad gekoppelt ist. Diese Art eines Ge­ schwindigkeitsmessers ist doppelt integrierend oder mißt - in anderen Worten - eine durch Beschleunigung des Beschleunigungsmessers hervorgerufene Kraft und schätzt die von dem Projektil oder Geschoß, an dem der Geschwindigkeitsmesser befestigt ist, zurückgelegte Strecke. Das Hauptproblem der Geschwindigkeitsmesser mit mechanischer Geschwindigkeitsauslösung/exzentrischem Rad ist die geringe Genauigkeit und hohe Wahrscheinlich­ keit eines mechanischen Versagens infolge der hohen Anzahl beweglicher Teile.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Geschwingigkeitserfassungseinrichtung anzugeben, die die von einem Objekt zurückgelegte Strecke aus der Beschleunigung des Objektes durch mechanisch doppelte Integration angeben kann. Außerdem soll eine billige doppelt-integrierende Beschleunigungserfassungs­ einrichtung angegeben werden, die miniaturisiert und in einem massiven Zustand ist. Außerdem soll eine ver­ besserte flexible Silicium-Zwischenwand angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen der Patentansprüche 1, 7 und 9 ange­ gebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen ge­ kennzeichnet.

Eine doppelt-integrierende Silicium (silicon)-Be­ schleunigungserfassungseinrichtung, die in einem festen Zustand und Mikro-bearbeitet ist, mißt die Beschleunigung eines Objektes und bestimmt die durch die Flugbahn zurückgelegte Strecke dieses Objekts. Die Einrichtung enthält einen hermetisch abgedichteten Be­ hälter. Der Hohlraum innerhalb des Behälters ist von einer flexiblen Silicium-Trennwand in zwei getrennte Hohlräume geteilt, und zwar einen flachen und einen tiefenHohlraum. Die zwei Hohlräume sind mit einem Fluid gefüllt, das in dem Bereich des Arbeitsdrucks relativ unkompressibel ist. Das Fluid kann zwischen den zwei Hohlräumen nur durch eine Drosselbohrung fließen. Zwei Kondensatorplatten bilden einen Konden­ sator innerhalb des flachen Hohlraums. Eine der Platten ist an einem mittleren Abschnitt der Trenn­ wand befestigt, während die andere Platte der ersten Platte benachbart und gegenüberliegend in dem flachen Hohlraum befestigt ist. Wenn sich der Beschleunigungs­ messer in Ruhe befindet, sind die zwei Platten um eine vorgegebene Strecke Xg beabstandet. Wenn der Beschleu­ nigungsmesser einer Beschleunigung unterliegt, wird die Trennwand in den tiefen Hohlraum verformt bzw. abgelenkt, wodurch Fluid aus dem tiefen Hohlraum in den flachen Hohlraum gedrückt wird. Der Spalt zwischen den zwei Kondensatorplatten X _g vergrößert sich und ver­ ursacht eine Änderung der Gesamtkapazität. Dieser Kapazitätswert ist exakt proportional zu der Strecke, die ein Objekt bei konstanter Beschleunigung zurück­ gelegt hat, und annähernd proportional der Strecke, die bei anderen Beschleunigungsimpulsen zurückgelegt wurde. Wenn Kondensatorplatten zusätzlich zu den Kon­ densatorplatten in dem flachen Hohlraum auch in dem tiefen Hohlraum benachbart und gegenüberliegend ange­ ordnet sind, entsteht eine Differentialkapazität.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Er­ findung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen

Fig. 1 einen doppelt-integrierenden Beschleuni­ gungsmesser gemäß der Erfindung in einer weggeschnittenen Seitenansicht;

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine "vertiefte" Trenn­ wand gemäß der Erfindung und

Fig. 3 eine Seitenansicht der "vertieften" Trenn­ wand gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine weggeschnittene Seitenansicht einer doppelt integrierenden Silicium-Beschleunigungserfas­ sungseinrichtung (ASD) 10. ASD 10 ist in einer bevor­ zugten Ausführungsform Mikro-bearbeitet und enthält eine Trennwand 12, eine dynamische Platte 14, eine statische Platte 16, eine Drosselbohrung 18 und ein starres Gehäuse 20.

Des starre Gehäuse 20 ist ein hermetisch abgedichteter Behälter, der einen Hohlraum 22 bildet. Der Hohlraum 22 ist von der Trennwand 12 in zwei Hohlräume geteilt, und zwar einen flachen Hohlraum 24 und einen tiefen Hohlraum 26. Der flache Hohlraum 24 und der tiefe Hohl­ raum 26 sind mit einem Fluid gefüllt, das über einen vorgegebenen Bereich eines Arbeitsdrucks relativ un­ kompressibel ist. Durch hermetische Abdichtung des starren Gehäuses 20 werden die Eigenschaften und Wir­ kungsweise des Fluids nicht durch Temperaturänderungen beeinträchtigt.

Die dynamische Platte 14 ist an einem mittleren Teil einer Fläche 36 der Trennwand 12 (siehe auch Fig. 2) befestigt. Die Fläche 36 bildet eine Wand des flachen Hohlraums 24. Die statische Platte 16 ist an der Fläche 2 B des starren Gehäuses 20 befestigt und liegt der dynamischen Platte 14 benachbart gegenüber. Die Fläche 28 des starren Gehäuses 20 bildet eine zweite Wand des flachen Hohlraums 24. Die anderen Wände des flachen Hohlraums 24 sind durch das starre Gehäuse 20 gebildet. Die dynamische Kondensatorplatte 14 und die statische Kondensatorplatte 16 bilden einenKondensator 32, der mit einer externen Steuerschaltung (nicht dar­ gestellt) elektronisch gekoppelt ist.

Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine bevorzugte Aus­ führungsform der Trennwand 12. Die Trennwand 12 ist eine flexible Schwingwand bzw. Membran und besteht vorzugsweise aus Silicium. Silicium wird bereits für Mikro-bearbeitete Trennwände bzw. Membrane verwendet, siehe Micromechanics: The Eyes end Ears of Tomorrow's Computers, Business Week, 17. März 1988, Seite 88; Young′s Modulus Measurements of Thin Films Using Micromechanics, Kurt E. Peterson and C.R. Guarnieri, App. Phys. 50 (11), November 1979; Silicon as a Mechanical Material, Proceedings of the IEEE, Vol. 70, No. 5, Mai 1982; aber es behält einige spröde Eigenschaften bei.

Nicht-mikrobearbeitete Silicium-Trennwände wurden gewellt, um die Flexibilität der Trennwand zu erhöhen, siehe Design of Corrugated Diaphragms, ASME Transactions, Vol. 78, 1957. Jedoch erzeugt die Wellung der Trenn­ wände Punkte hoher Festigkeit in dem Silicium an jedem Wellenpunkt. Diese hohe Festigkeit vergrößert die Mög­ lichkeit eines Fehlers in der Trennwand.

Die Trennwand 12 vergrößert die Flexiblität des Siliciums ohne Schaffung von Punkten hoher Festigkeit durch "Vertiefung" der Fläche 26 anstelle der Erzeugung von Wellen. Die Trennwand 12 enthält eine Anzahl halb­ kreisförmiger Vertiefungen 32, die in einer dichten hexagonalen Packungsanordnung angeordnet sind, wie Fig. 2 zeigt. Fig. 3 zeigt Vertiefungen 32 in einer weggeschnittenen Seitenansicht der Trennwand 12, wobei die halbkreisförmige Natur der Vertiefungen 32 sicht­ bar wird. Durch Anordnung der Vertiefungen 32 in einer hexagonalen, dichten Packungsanordnung kann eine maximale Anordnung von Vertiefungen 32 in der Trennwand 12 untergebracht werden.

Die Seiten der Trennwand 12 in Fig. 2 sind an dem starren Gehäuse 20 befestigt und in diesem gehalten, um den Hohlraum 22 vollständig zu teilen.

Die Drosselbohrung 18 zwischen dem flachen Hohlraum 24 und dem tiefen Hohlraum 28 erlaubt eine Fluid­ strömung zwischen den beiden Hohlräumen 24, 26. Wegen der beschränkten Form der Drosselbohrung 18 kann die Fluidströmung gesteuert werden, um eine doppelte Inte­ gration der Beschleunigung zu erleichtern, wie weiter unten erläutert ist.

Wenn mit erneutem Bezug auf Fig. 1 die Beschleunigungs­ erfassungseinrichtung ASD anfänglich in Ruhe ist, bilden die dynamische Platte 14 und die statische Platte 16 einen Spalt 30, der dem Spalt X _g entspricht. Der Konden­ sator 32 hat bei einem Spalt X _g eine Anfangskapazität C ₁. Wenn ASD 10 einer vorgegebenen Beschleunigung in einer Richtung entlang der Achse eines Pfeils 40 aus­ gesetzt ist, lassen die Masse der Trennwand 12 und der dynamischen Platte 14 die Trennwand 12 in den tiefen Hohlraum 26 ausbiegen. Wenn die Trennwand 12 in den tiefen Hohlraum 26 ausgebogen wird, entsteht ein Druck­ unterschied zwischen dem flachen Hohlraum 24 und dem tiefen Hohlraum 26. Dieses Druckdifferential zwingt das Fluid in dem tiefen Hohlraum 26 dazu, in den flachen Hohlraum 24 zu fließen. Die Geschwindigkeit der Bewegung des Fluids ist proportional dem hydrau­ lischen Durchmesser der Drosselbohrung 18 und der Quadratwurzel des Druckunterschieds.

Die Ausbiegung der Trennwand 12 läßt X _g wachsen, wo­ durch sich die Kapazität des Kondensators 32 ändert. Wenn X _g weiter ansteigt, ändert sich die Kapazität der Kondensators 32 weiter, wodurch analoge Ausgangs­ signale erzeugt werden. Wenn ASD 10 als Schalter ver­ wendet wird, aktiviert ASD 10 einen externen Schalter, wenn eine vorbestimmte Schwellkapazität erreicht ist.

ASD 10 kann ferner Kondensatorplatten in dem tiefen Hohlraum 26 aufweisen. Wie Fig. 1 zeigt, kann ASD 10 eine Platte 42, die entgegengesetzt der dynamischen Platte 14 an der Trennwand 12 angebracht ist, und eine Platte 44 aufweisen, die an dem Gehäuse 22 gegenüber der Platte 42 in dem tiefen Hohlraum 26 befestigt ist. Die Platten 42 und 44 bilden einen Kondensator 46, wie dies bei der dynamischen Platte 14 und der sta­ tischen Platte 16 der Fall ist. Wenn die Trennwand 12 in den tiefen Hohlraum 26 ausgebogen wird, kann eine Änderung der Kapazität des Kondensators 46 mit der Änderung der Kapazität des Kondensators 32 kombiniert werden, um eine Differentialkapazität zu erzeugen.

Die Strecke, die von einem Objekt zurückgelegt wird, daß sich zuerst in Ruhe befindet und dann einer Be­ schleunigung ausgesetzt ist, ist das doppelte Integral der Beschleunigung in bezug auf die Zeit. ASD 10 ist eine mechanische Einrichtung, die eine konstante Be­ schleunigung doppelt integriert und eine nicht-konstante Beschleunigung pseudo-doppelt integriert, wobei die Be­ schleunigung über die Zeit gemessen ist, um die von einem Objekt zurückgelegte Strecke anzugeben, an der ASD 10 befestigt ist. Die folgende mathematische Dis­ kussion gibt die doppelte Integrationseigenschaft von ASD 10 bei konstanter Beschleunigung wieder. Die konstante Beschleunigung wird wegen der Leichtigkeit der Berechnung gewählt. Es wird jedoch darauf hinge­ wiesen, daß die zurückgelegte Strecke von ASD 10 für alle Anwendungen bestimmt werden kann, bei denen sich die Beschleunigung gegenüber der Zeit gut verhält und keine signifikanten Stufen aufweist.

Die Trennwand 12 kann als gedämpfte Feder betrachtet werden, für die folgende mathematische Gleichung gilt:

F = ma + b v² - kx (1)

wobei F die auf die Trannwand 12 aufgebrachte Kraft, m die Masse der Trennwand 12 und der dynamischen Platte 14, a die Beschleunigung der Trennwand 12, β der hydrau­ lische Durchmesser der Drosselbohrung 18, v die Ge­ schwindigkeit des durch die Drosselbohrung 18 fließen­ den Fluids (die Geschwindigkeit der Ausbiegung der Trennwand 12 und der Fluidströmung sind gleich), k die Federkonstante der Trennwand 12 und x die Ausbiegung der Trennwand 12 sind. Nach einer kurzen Zeitspanne ist v ² << ma und kx.

Damit gilt:

F = b v². (2)

Für ein Objekt mit konstanter Beschleunigung ist die Beziehung zwischen zurückgelegtem Weg und Be­ schleunigung gegeben durch:

x = 1/2 a _m t² (3)

wobei t die Zeit und a _m die Beschleunigung des Objektes sind. Die auf die Trennwand 12 von dem Objekt ausgeübte Kraft ist:

F = m a _m (4)

Durch Kombinieren der Gleichungen (2) und (4) ergibt sich für v:

v = [(c/β)ma _m ]^0,5 (5)

Die Auslenkung X _g , der Trennwand 12 kann bestimmt werden mittels:

x _g′ = vt (6)

Durch Kombinieren der Gleichungen (3), (5) und (6) ergibt sich

x = c′X _g′ (7)

wobei c′ eine Proportionalitätskonstante ist, die von dem hydraulischen Durchmesser der Drosselbohrung 18 abhängt. Der Wert X _g gibt die von dem Objekt zurück­ gelegte Strecke an. Hieraus ist zu ersehen, daß die Verlagerung der Trennwand 12 (und damit die Kapazitäts­ änderung) relativ zu einem Objekt, an dem ASD 10 be­ festigt ist, direkt bezogen ist zur Verlagerung des sich beschleunigenden Objektes. ASD 10 integriert auf diese Weise die Beschleunigung doppelt, um die von dem Objekt zurückgelegte Strecke zu ermitteln.

Der Beschleunigungsmesser 10 kann verwendet werden, um die von einem wirbelnden Objekt zurückgelegte Strecke zu bestimmen, das eine nahezu konstante Drehgeschwindig­ keit hat. Die von dem Objekt entlang seiner Flugbahn zurückgelegte Strecke ist direkt bezogen auf seine Drehung. Daher kann die auf die Trennwand 12 des Be­ schleunigungsmessers 10 einwirkende Zentrifugalkraft mit der doppelt integrierenden Wirkung kombiniert werden, um eine Drehungen zählende Wirkung zu erzielen.

Zur Erläuterung wird Gleichung (3) kombiniert mit dem Zentrifugalkraftfeld

F = cm² (8)

wobei die Drehung des Objekts in Bogeneinheiten pro Sekunde ist, um folgende Gleichung zu erhalten

v = C (9)

Da die Ablenkungsgeschwindigkeit derTrennwand 12 direkt proportional der Wirbelgeschwindigkeit des Objektes ist, ist die Anzahl der Drehungen zu jeder Zeit "t" pro­ portional der Verlagerung der Trennwand 12 zu derselben Zeit "t". Da ferner die von dem Objekt zurückgelegte Strecke direkt bezogen ist auf die Rotation des Objektes, bestimmt ASD 10 die von den Drehungen des Objektes zu­ rückgelegte Strecke.

Damit gibt die Erfindung einen doppelt integrierenden Silicium-Beschleunigungsmesser an, der alle oben ange­ gebenen Erfordernisse erfüllt. Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit speziellen Ausführungsformen be­ schrieben ist, liegen zahlreiche Alternativen, Modifi­ kationen und Variationen im Rahmen des Erfindungsge­ dankens.

Claims (12)

1. Beschleunigungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet durch eine Gehäuseeinrichtung (20) mit einem abgedichteten Hohlraum (22), eine flexible Trennwandeinrichtung (12), die den abgedichteten Hohlraum in mehrere kleine Hohl­ räume (24, 26) teilt, wobei die kleinen Hohlräume mit einem allgemein nicht zusammenpreßbaren Fluid gefüllt sind, eine Drosselbohrungseinrichtung (18) zwischen den kleinen Hohlräumen, wobei das nicht zusammendrück­ bare Fluid nur durch diese Drosselbohrungseinrichtung zwischen den kleinen Hohlräumen strömen kann, und mehrere Kondensatorplatteneinrichtungen (14, 16, 42, 44), wobei eine erste Kondensatorplatteneinrichtung mit der flexiblen Trennwandeinrichtung innerhalb eines ersten kleinen Hohlraums gekoppelt und eine zweite Kondensatorplatteneinrichtung mit der Gehäuseeinrichtung an einer gegenüberliegenden Seite des kleinen Hohlraums, der ersten Kondensatorplatteneinrichtung benachbart, gekoppelt ist, wobei ferner die flexible Trennwandein­ richtung ausgebogen wird und Fluid durch die Drossel­ bohrung zwängt, wenn eine Kraft auf die Trennwandein­ richtung einwirkt, während die Drosselbohrungseinrich­ tung die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids zwischen den kleinen Hohlräumen steuert und die Kondensator­ platteneinrichtungen eine Kapazität erzeugen, die proportional der Ausbiegung der flexiblen Trennwand­ einrichtung ist.

2. Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Trennwand­ einrichtung (12) mehrere halbkugelförmige Vertiefungen aufweist, um die Flexiblität der Trennwandeinrichtung zu erhöhen, und daß die halbkugelförmigen Vertiefungen an wenigstens einer Seite der Trennwandeinrichtung aus­ gebildet sind.

3. Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die halbkugelförmigen Ver­ tiefungen in einem hexagonalen dichten Schema an wenig­ stens einer Fläche angeordnet sind.

4. Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Trennwand­ einrichtung eine Welleneinrichtung aufweist.

5. Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Trennwand­ einrichtung aus einem Siliciummaterial besteht.

6. Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Kondensator­ platteneinrichtung mit der flexiblen Trennwandeinrich­ tung innerhalb eines zweiten kleinen Hohlraums ge­ koppelt ist und daß eine vierte Kondensatorplatten­ einrichtung mit der Gehäuseeinrichtung an der gegen­ überliegenden Seite des zweiten kleinen Hohlraums, der drittenKondensatorplatteneinrichtung gegenüber­ liegend, angebracht ist.

7. Flexible, mikrobearbeitete Trennwand, gekennzeichnet durch eine Siliciummembraneinrichtung und mehrere Vertiefungen (32) zur Vergrößerung der Flexiblität der Siliciummembraneinrichtung, wobei die Vertiefungen wenigstens in eine Oberfläche der Siliciummembraneinrichtung eingebettet sind.

8. Trennwand nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen in einem hexagonalen, dicht gepackten Schema angeordnet sind.

9. Beschleunigungserfassungseinrichtung, gekennzeichnet durch eine Siliciumtrennwandeinrichtung mit Mitteln zur Vergrößerung der Flexibilität der Trennwandeinrichtung, die quer über eine Fluid ent­ haltende abgedichtete Kammer verläuft und diese teilt, eine Verbindungseinrichtung zur Strömungsverbindung des Fluids zwischen den geteilten Abschnitten der abgedichteten Kammer mit einer vorbestimmten Strömungs­ geschwindigkeit, wobei die Verbindungseinrichtung zwischen den abgeteilten Abschnitten der abgedichteten Kammer verläuft, und eine Siliciumtrennwandeinrichtung, die durchgebogen wird, wenn eine Beschleunigungskraft auf die Trennwandeinrichtung einwirkt.

10. Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere halbkugelförmige Vertiefungen die Flexiblität der Trennwandeinrichtung erhöhen und daß die halbkugelförmigen Vertiefungen an wenigstens einer Fläche der Trennwandeinrichtung liegen.

11. Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Ver­ größerung der Flexiblität der Siliciumtrennwandein­ richtung eine Welleneinrichtung ist.

12. Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung eine Drosselbohrung ist, die die Durchflußgeschwindig­ keit des Fluids steuert.