DE4127979C2 - Halbleiter-Beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Beschleunigungsmes­ ser gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.

Fig. 3 ist eine Perspektivansicht eines bereits vorgeschlagenen 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 exakt gemessen werden.

Aus der JP 63-255664 (A) ist ein Halbleitersensor bekannt, welcher in der Lage ist, Beschleunigungen zu messen. Das dort vorhandene Halbleitersensorelement weist einen dünnwandigen Teil und einen Sockel auf. Auf einer Oberfläche des dünnwandigen Teiles des Halbleitersensorelementes ist ein erster piezoelektrischer Teil vorgesehen, welcher Meßwiderstände bildet, die von einer Konstant­ stromquelle getrieben und in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Die Problematik, wie senkrecht zu einer Hauptachse einwir­ kende Beschleunigungskräfte das Meßergebnis verfälschen bzw. wel­ che Maßnahmen einzuleiten sind, um diesen Fehlereinfluß zu elimi­ nieren, ist nicht angesprochen.

Die GB 2174500 (A) zeigt einen Beschleunigungsmesser, welcher aus Halbleitersensorelementen besteht, die als Array aus piezoelektri­ schen Meßwiderständen in Form einer Wheatstone-Meßbrücke angeord­ net sind. Ausgehend von dem Nachteil der Notwendigkeit, bisher drei diskrete Sensoren zur Erfassung von Beschleunigungen in zu­ einander senkrecht stehenden Richtungen anzuordnen, wird dort vor­ geschlagen, einen Drei-Achsen-Beschleunigungsmesser auszubilden. Hierfür sind an einem Träger drei flexible Teile vorgesehen, die jeweils ein Sensorelement tragen. Der Aufwand der achsenselektiven Erfassung von Beschleunigungen ist jedoch sowohl konstruktiv als auch von der elektronischen Auswertung her erheblich.

Die US-PS 3528297 offenbart einen Beschleunigungsmesser, welcher piezoelektrische Elemente aufweist, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind, wobei es dort darum geht, die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen. Hierfür wird vorgeschlagen, einen freitragen­ den Träger auszubilden, auf dessen Oberfläche sich jeweils piezo­ elektrische Sensoren befinden.

Die Schwierigkeiten bei der Meßwerterfassung aufgrund störender Einwirkungen von senkrecht zur betrachteten Hauptachse einwirken­ den Kräften oder Beschleunigungen sind nicht Gegenstand der Lehre der US-PS 3528297.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Halbleiter-Beschleuni­ gungsmesser bereitzustellen, der die Meßwertkomponenten, die auf­ grund einer Beschleunigung, die in einer zur Hauptachse senkrech­ ten Richtung entstehen bzw. wirken, verringern kann, um die Genau­ igkeit bei der Beschleunigungsmessung in der betrachteten Haupt­ achse zu erhöhen.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegenstand nach den Merkmalen des Patentanspruches.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

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

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 (1)

1. Halbleiter-Beschleunigungsmesser umfassend
   ein Halbleitersensorelement (1), das einen dünnwandigen Teil (2) aufweist;
   einen Sockel (5), der das Halbleitersensorelement (1) trägt;
   eine Basis (6), auf der der Sockel (5) festgelegt ist und auf einer ersten Oberfläche des dünnwandigen Teiles (2) des Halbleitersensorelementes (1) in einer Brückenschaltung angeordnete erste piezoelektrische Meßwiderstände (3a bis 3d), gekennzeichnet durch auf der der ersten Oberfläche des dünnwandigen Teiles (2) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche angeordnete zweite piezoelektrische Meßwiderstände (3a′ bis 3d′), die mit den ersten piezoelektrischen Meßwiderständen (3a bis 3d) so verschalten sind, daß sich die Meßwertkomponenten aufgrund von Beschleunigungen in einer zur Hauptachse senkrechten Richtung in der Brückenschaltung gegeneinander aufheben, wobei die ersten piezoelektrischen Meßwiderstände (3a bis 3d) zu den zweiten piezoelektrischen Meßwiderständen (3a′ bis 3d′) orthogonal angeordnet sind.