DE4127979A1 - Halbleiter-beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Beschleunigungsmes­ ser, der insbesondere so verbessert ist, daß er den Einfluß der Beschleunigung verringert, die senkrecht zur Richtung der zu messenden Beschleunigung wirkt, wodurch die Meßgenauigkeit erhöht wird.

Fig. 3 ist eine Perspektivansicht eines konventionellen Halbleiter-Beschleunigungsmessers. Dabei ist ein Beschleuni­ gungssensorelement 1 an seiner Rückseite teilweise weggeätzt unter Bildung einer dünnwandigen Membran 2. Eine Vielzahl von als piezoelektrische Elemente wirkenden Meßwiderständen 3a-3d ist auf der Oberfläche der Membran 2 gebildet. Diese Meß­ widerstände haben Widerstandswerte R1, R2, R4 und R3.

Im Gebrauch wird die Membran 2 aufgrund einer Beschleunigung ausgelenkt, so daß die Meßwiderstände 3a-3d mit einer Bean­ spruchung beaufschlagt werden und elektrische Signale er­ zeugen, aus denen die Beschleunigung bestimmt wird. Um die Empfindlichkeit zu steigern, weist der Beschleunigungsmesser ein Gewicht 4 auf. Das Beschleunigungssensorelement 1 ist an seinem einen Ende über einen Sockel 5 einseitig an einer Ba­ sis 6 befestigt.

Bei dem so aufgebauten Halbleiter-Beschleunigungsmesser ist jeder Meßwiderstand 3a-3d so ausgelegt, daß sein Wider­ standswert höher wird, wenn ein Zug in Längsrichtung ein­ wirkt, und niedriger wird, wenn senkrecht zur Längsrichtung eine mechanische Spannung einwirkt. Diese Meßwiderstände 3a­ 3d sind so gekoppelt, daß eine Brückenschaltung gebildet ist, deren Ersatzschaltbild in Fig. 4 gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 sei angenommen, daß die zu mes­ sende Beschleunigung in der Hauptrichtung (Z-Achsen-Richtung) wirkt. Wenn der Sensor in einer zur Z-Achse senkrechten Rich­ tung (Richtung der X-Achse oder einer anderen Achse) mit einer weiteren Beschleunigung beaufschlagt wird, werden in den jeweiligen Meßwiderständen Beanspruchungen erzeugt. Ins­ besondere werden in den Meßwiderständen 3a bzw. 3b Zugspan­ nungen σ1 bzw. σ2 erzeugt, während in den Meßwiderständen 3c bzw. 3d Druckspannungen -σ4 bzw. -σ3 erzeugt werden. Die Wer­ te dieser Beanspruchungen genügen den folgenden Bedingungen:

σ₁ < σ₂ < - σ₄ < - σ₃

σ₁ = σ₃

σ₂ = σ₄

Somit ändern sich die Widerstandswerte des Meßwiderstände 3a-3d jeweils zu R1-ΔR1, R2+ΔR2, R4-ΔR4 bzw. R3-ΔR3.

Infolgedessen wird der Gleichgewichtszustand der Brücken­ schaltung gestört, und es entwickelt sich eine Potentialdif­ ferenz zwischen den Anschlüssen Vout⁺ und Vout⁻. Das heißt, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

ΔR₁ = ΔR₃ = ΔR, ΔR₂ = ΔR₄ = ΔR′

Daher wird die Potentialdifferenz, d. h. die Spannung, die zwischen den Anschlüssen Vout⁺ und Vout⁻ erzeugt wird, gemäß der folgenden Formel geschrieben:

(ΔR-ΔR′) /R×(Eingangsspannung).

Bei dem so ausgebildeten Halbleiter-Beschleunigungsmesser enthält der Ausgangsmeßwert eine Komponente, die der Be­ schleunigung entspricht, die in einer zur Hauptachse (Z- Achse) senkrechten Richtung (X-Achsen-Richtung) wirkt, und zwar zusätzlich zu der der zu messenden Beschleunigung ent­ sprechenden Komponente, d. h. der Beschleunigung, die in Richtung der Hauptachse (Z-Achse) wirkt. Die in Richtung der Hauptachse wirkende Beschleunigung kann daher nicht gemessen werden.

Aufgabe der Erfindung ist also die Bereitstellung eines Halb­ leiter-Beschleunigungsmessers, der die einer Beschleunigung, die in einer zur Hauptachse senkrechten Richtung wirkt, ent­ sprechende Meßwertkomponente verringern kann, um dadurch die oben erwähnten Probleme des Standes der Technik zu über­ winden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß einem Aspekt der Erfin­ dung ein Halbleiter-Beschleunigungsmesser vorgesehen, der aufweist: ein Halbleiter-Sensorelement mit einem dünnwandigen Teil; einen Sockel, der das Halbleiter-Sensorelement trägt; eine Basis, auf der der Sockel festgelegt ist; einen ersten piezoelektrischen Teil, der auf einer Oberfläche des dünn­ wandigen Teils des Halbleiter-Sensorelements angeordnet ist; und einen zweiten piezoelektrischen Teil, der auf einer Oberfläche des dünnwandigen Teils des Halbleiter-Sensor­ elements angeordnet ist und den Pegel der Ausgangsmeßgröße nach Maßgabe einer Beschleunigung verringern kann, die in einer Richtung wirkt, die sowohl zu der Richtung der vom Halbleiter-Beschleunigungsmesser zu messenden Beschleunigung als auch zur Richtung der Längsachse des Halbleiter-Beschleu­ nigungssensorelements senkrecht ist.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines Halbleiter-Beschleu­ nigungsmessers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der internen Schaltung des Beschleunigungsmessers von Fig. 1;

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines konventionellen Halb­ leiter-Beschleunigungsmessers; und

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild der internen Schaltung des Beschleunigungsmessers von Fig. 3.

Fig. 1 ist eine Perspektivansicht des Halbleiter-Beschleuni­ gungsmessers.

Der Halbleiter-Beschleunigungsmesser umfaßt ein Beschleuni­ gungssensorelement 1 mit einer Membran 2, Meßwiderstände 3a-3d, ein Gewicht 4 und einen Sockel 5, die praktisch diesen Teilen bei dem bekannten Halbleiter-Beschleunigungsmesser der Fig. 3 und 4 entsprechen.

Der Halbleiter-Beschleunigungsmesser von Fig. 1 hat zusätz­ lich zu den Meßwiderständen 3a-3d, die als erste piezoelek­ trische Elemente vorgesehen sind, Meßwiderstände 3a′-3d′, die auf der Gegenseite der Membran 2 geformt und als zweite piezoelektrische Elemente vorgesehen sind. Die Meßwiderstände 3a′-3d′ sind so gekoppelt, daß sie eine interne Schaltung bilden, deren Ersatzschaltbild in Fig. 2 gezeigt ist. Die Meßwiderstände 3a′-3d′ haben Widerstandswerte R6, R5, R7 und R8.

Bei diesem Halbleiter-Beschleunigungsmesser werden in den jeweiligen Meßwiderständen die nachstehend angegebenen Be­ anspruchungen aufgrund einer Beschleunigung erzeugt, die in Richtung der X-Achse wirkt, die zu der Richtung (Z-Achse) der zu messenden Beschleunigung senkrecht ist:

Zugspannung σ1 in Meßwiderständen 3a und 3a′,
Zugspannung σ2 in Meßwiderständen 3b und 3b′,
Druckspannung -σ4 in Meßwiderständen 3c und 3c′,
Druckspannung -σ3 in Meßwiderständen 3d und 3d′.

Die Widerstandswerte R1-R8 sind so festgelegt, daß sie gleich und mit R ausgedrückt sind.

Die Meßwiderstände 3a-3d′ sind so angeordnet, daß die Bean­ spruchungswerte σ1 und σ3 einander gleich sind und die Be­ anspruchungswerte σ2 und σ4 einander gleich sind. Dazu sind die Meßwiderstände 3a und 3a′ orthogonal zueinander ange­ ordnet. Ebenso sind zwischen den entsprechenden Meßwider­ ständen auf beiden Seiten des Sensorelements 1 orthogonale Lagebeziehungen vorgesehen, d. h. also zwischen den Meßwider­ ständen 3b und 3b′, zwischen den Meßwiderständen 3c und 3c′ sowie zwischen den Meßwiderständen 3d und 3d′. Ferner sind die Meßwiderstände 3b und 3a′ so angeordnet, daß die Ent­ fernung zwischen dem Meßwiderstand 3b und der Mitte der Membran beispielsweise die halbe Entfernung des Meßwider­ stands 3a′ von der Mitte der Gegenseite der Membran 2 ist. Ebenso sind die Meßwiderstände 3c und 3d′ mit dem gleichen Entfernungsverhältnis von 1 : 2 von der Mitte der Gegenseite der Membran 2 angeordnet. Wenn man die Varianz des Wider­ standswerts R1 mit 2ΔR darstellt, sind die Widerstandswerte der jeweiligen Meßwiderstände wie folgt gegeben:

R₁ = R - 2ΔR
R₂ = R + ΔR
R₃ = R + 2ΔR
R₄ = R - ΔR
R₅ = R - ΔR
R₆ = R + 2ΔR
R₇ = R + ΔR
R₈ = R - 2ΔR

Somit wird 0 V als Ausgangswert der Brückenschaltung erhal­ ten. Das bedeutet, daß der Meßwert vom Beschleunigungsmesser keine Komponente enthält, die der in Richtung der X-Achse wirkenden Beschleunigung entspricht. Daher wird die Beschleu­ nigung in Richtung der Z-Achse mit hoher Präzision gemessen, und zwar unbeeinflußt durch irgendeine in Richtung der X- Achse wirkende Beschleunigung.

Claims (3)

1. Halbleiter-Beschleunigungsmesser mit
einem Halbleitersensorelement (1) das einen dünnwandigen Teil (2) aufweist;
einem Sockel (5) , der das Halbleitersensorelement (1) trägt; und
einer Basis (6), auf der der Sockel festgelegt ist; gekennzeichnet durch
einen auf einer Oberfläche des dünnwandigen Teils (2) des Halbleitersensorelements (1) angeordneten ersten piezoelek­ trischen Teil (3a-3d); und
einen auf einer Oberfläche des dünnwandigen Teils (2) des Halbleitersensorelements (1) angeordneten zweiten piezoelek­ trischen Teil (3a′-3d′), der den Pegel des Ausgangsmeßwer­ tes, der einer Beschleunigung entspricht, die in einer Rich­ tung wirkt, die sowohl zu der Richtung der vom Halbleiter- Beschleunigungsmesser zu messenden Beschleunigung als auch zu der Richtung der Längsachse des Halbleitersensorelements (1) senkrecht ist, verringern kann.

2. Halbleiter-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite piezoelektrische Teil jeweils eine Vielzahl von Meßwiderständen (3a-3d, 3a′-3d′) aufweisen.

3. Halbleiter-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwiderstände (3a-3d) des ersten piezoelektrischen Teils orthogonal zu den Meßwiderständen (3a′-3d′) des zweiten piezoelektrischen Teils angeordnet sind.