DE4200293C2 - Miniatur-Silizium-Beschleunigungsmesser und Verfahren zum Messen der Beschleunigung - Google Patents

Miniatur-Silizium-Beschleunigungsmesser und Verfahren zum Messen der Beschleunigung

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beschleunigungsmesser für die Anwendung im Bereich mittlerer Genauigkeiten. Es besteht ein Bedarf an kleinen und billigen Beschleunigungsmessern zur Verwendung in taktischen Systemen, wie den Miniatur- Beschleunigungsmessern, die bei der leichten Artillerie und beim Betrieb von Granatwerfern erforderlich sind, wo große Bestände an Schüssen und Beschleunigungsmessern aufgewendet werden können. Ein taktischer Beschleunigungsmesser für derartige Verwendung kann als Instrument mittlerer Qualität betrachtet werden, muss aber einen dynamischen Bereich von fünf Größenordnungen aufweisen und in einer Umgebung mit großen Vibrationen und über einen weiten Temperaturbereich zu betreiben sein.
Beschleunigungsmesser sind in verschiedenen Varianten aus dem Stand der Technik bekannt, so z. B. aus den Druckschriften DE 38 31 593 A1, US 4,336,718, US 4,102,202 und US 4,679,434.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den dynamischen Bereich der Miniatur-Beschleunigungsmesser um einen Faktor 100 bis 1000 über den der aus dem Stand der Technik bekannten, feinstbearbeiteten Beschleunigungsmesser zu vergrößern. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zum Erfassen der Beschleunigung bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Miniatur- Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 15 und einen Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 22.
Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Miniatur-Beschleunigungsmessers nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 14. Vorteilhafte und bevorzugte Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 15 sind Gegenstand der Ansprüche 16 bis 21. Vorteilhafte und bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Miniatur-Beschleunigungsmessers nach Anspruch 22 sind Gegenstand der Ansprüche 23 und 24.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels eines Miniatur-Beschleunigungsmessers näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise Schnittdarstellung eines Meßwertgebers eines Beschleunigungsmessers,
Fig. 2 eine isometrische Ansicht der Bestandteile des Meßwertgebers des Beschleunigungsmessers der Fig. 1, dargestellt mit einem geöffneten, oberen Teil und mit Teilen des unteren Teils in Schnittdarstellung und
Fig. 3 eine Ansicht des Bereichs der Normalmasse im Bereich 3-3 der Fig. 2 von oben.
Fig. 1 zeigt einen Miniatur-Beschleunigungsmesser 10 mit einem Meßwertgeber 12 und Schaltkreisen 14 und 14a. Der Meßwertgeber 12 des Beschleunigungsmessers 10 ist in einer teilweisen Schnittdarstellung gezeigt und enthält eine Normalmasse 16, die in ihrer neutralen Position, in der Mitte zwischen einer oberen und einer unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32, gezeigt ist. Die Normalmasse 16 ist aus Silizium hergestellt und mit einer dünnen Biegestelle 22 versehen, die einteilig mit der Siliziumschicht 24 gebildet ist. Die Biegestelle 22 definiert eine Biegelinie entlang der Mittelebene der Normalmasse 16, gekennzeichnet durch die Mittelachse 23, um die Schwingungsrektifikation zu minimieren. Wenn die Biegestelle 22 so angeordnet wird, daß eine Symmetrie um die Mittelebene der Normalmasse 16 vorhanden ist, wird ein Schütteln des Beschleunigungsmessers keine Rektifikation hervorrufen, so daß das Instrument eine hohe Linearität aufweist.
Die Siliziumschicht 24 ist anodisch zwischen oberen und un­ teren Glasschichten 26 und 28 eingebunden, auf denen obere und untere Metallelektroden 30 beziehungsweise 32 aus Alu­ minium oder Gold oder anderen, elektrischen Leitern angeord­ net sind. Weiterhin sind die obere Elektroden-Glasschicht 26 und die untere Elektroden-Glasschicht 28 identische Teile, die mit derselben Maske hergestellt werden, die zuerst an der oberen Schicht angewendet wird und dann an der unteren, um eine exakte Symmetrie zu erreichen. Die Normalmasse 16 ist sehr symmetrisch, so daß in der Vorrichtung keine Vor­ spannungen erzeugt werden. Das trägt zu einem hohen Wert für einen dynamischen Bereich mit hoher Linearität bei.
Wenn die Elektroden 30 und 32 auch bequem aus aufgedampftem Aluminium hergestellt werden können, ist eine ziemliche Feuchtigkeitsempfindlichkeit zu verzeichnen, die der Verwen­ dung von Aluminium innewohnt, weil es signifikant Oberflä­ chenfeuchtigkeit absorbiert, was die dielektrischen Eigen­ schaften der Oberfläche verändert und Kapazität addiert, die nicht von anderen Kapazitäten unterschieden werden kann, die gemessen werden. Folglich wird bevorzugt ein Metall verwen­ det, das keine Feuchtigkeit absorbiert, wie Gold, das leicht durch Sprühen aufgetragen werden kann. Mit dem Ziel, die O­ berfläche der Normalmasse 16 stabil zu halten, wird auch diese vorzugsweise mit Gold überzogen.
Der Beschleunigungsmesser 10 arbeitet als Kraft-Balance-In­ strument, in dem die Beschleunigungskraft auf die Normalmas­ se 16 durch angemessene, elektrische Rückstellkräfte ausge­ glichen wird, die durch einen Sensorschaltkreis 14 über ei­ ne obere und eine untere Beeinflussungselektrode 30 und 32 auf die Normalmasse 16 ausgeübt werden. Die Größe der erfor­ derlichen Rückstellkraft ist eine Funktion der Beschleuni­ gung und kann am Beschleunigungsausgang 34 des Sensorschalt­ kreises 14 gemessen werden.
An die Normalmasse 16 wird über einen Entkopplungs- oder we­ chselstromundurchlässigen Widerstand 36 durch eine Bezugs­ spannungsquelle, wie eine stabilisierte Halbleiter-Bezugs­ spannungsquelle 35, eine Gleich-Vorspannung angelegt.
Parallel dazu wird ein von der Signalquelle 38 erzeugtes Wechselspannungssignal über den Koppelkondensator 40 an die Normalmasse 16 angelegt. Kondensatoren 42 und 44 koppeln die Kapazitäten, die zwischen den oberen und unteren Elektroden 30 und 32 sowie der Normalmasse 16 gebildet werden, an den Differenz-Brückenschaltkreis 46, der die Dioden 50, 52, 54 und 56 beinhaltet, den Filterkondensator 58 und den Operationsverstärker 60, mit hoher Impedanz und hohem Ver­ stärkungsfaktor. Der Ausgang des Verstärkers 60 wird direkt dazu verwendet, die obere Elektrode 30 und, nach einer In­ version durch den Inverter 62 dazu, die untere Elektrode 32 zu treiben.
Der Beschleunigungsausgang 34 ist über den Verstärker 60 und den Inverter 62 auf die obere und die untere Elektrode 30 beziehungsweise 32 geführt, um elektrostatische Rückstell­ kräfte auf die Normalmasse 16 zu geben, um den Kräften ent­ gegenzuwirken, die durch die Beschleunigung darauf ausgeübt werden. Solche elektrostatischen Kräfte wären normalerweise nicht linear, weil sie proportional dem Quadrat der angeleg­ ten Spannung sind. Die Gleich-Vorspannung, die durch die stabile Spannungsquelle 35 angelegt wird und die außer Phase an die obere und untere Elektrode 30 und 32 angelegten Sig­ nale vom Verstärker 60 und dem Inverter 62 sichern die Be­ seitigung dieser Nichtlinearität.
Die Beeinflussungs- und Normalmassenspannungs-Verschiebung ergibt ein lineares Ausgangssignal mit der elektrostatischen Kraftrückkopplung, auch wenn die Grundgleichungen der Beein­ flussung nicht linear sind. Die Grundgleichungen der Beein­ flussung sind:
worin Fu die obere Kraft ist (FL ist die untere Kraft). A ist die Fläche der Beeinflussungselektrode, Vu ist die Spannung zwischen der oberen Elektrode und der Normalmasse, VL ist die Spannung zwischen der unteren Elektrode und der Normalmasse, d ist der Abstand zwischen der Elektrode und der Normalmasse.
Setzt man:
Vu = Vo - Δ und VL = Vo + Δ (2),
worin Vo die Spannung bei 34 und Δ eine feste Spannung ist, zum Beispiel 15 V, wird eine exakte Linearisierung der Kraftgleichung erhalten, wie gezeigt wird, durch:
Worin M die Masse der Normalmasse 16 ist und a die Beschleunigung, so daß der Skalenfaktor wird:
Δ ist die Spannung, die von der Spannungsquelle 35 erzeugt wird. Deshalb ist die Ausgangsspannung bei 34 exakt propor­ tional der Beschleunigung, wenn die Normalmasse zwischen der oberen und der unteren Elektrode 30 und 32 zentriert ist. Die Spannung kann dann zur Messung der Beschleunigung ver­ wendet werden.
Eine Linearität kann auch erreicht werden, wenn die Normal­ masse 16 eine Vorspannung von Null hat und eine feste Vor­ spannung in Reihe mit dem Verstärkerausgang an die obere E­ lektrode 30 angelegt wird, während die gleiche, feste Vor­ spannung mit umgekehrter Polarität in Reihe mit dem Verstär­ kerausgang an die untere Elektrode 32 angelegt wird.
Verbleibende Nichtlinearitäten des Systems, zum Beispiel be­ dingt durch eine ungenaue Zentrierung der Normalmasse in dem Spalt, können durch eine Verschiebung der Vorspannungen re­ duziert werden, die von einer Vorspannungsquelle V über ei­ nen hohen Widerstand R3 (< 250 kOhm) an den Verstärker an­ gelegt werden. Die Verwendung von solchen Vorspannungsver­ schiebungen erlaubt die Reduzierung ungenauer Zentrierungen und Vibrationsrektifikationen im wesentlichen auf Null.
Außer der oberen und unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 können die obere und untere Glasschicht 26 beziehungswei­ se 28 eine obere beziehungsweise untere Schutz-Band-Elek­ trode 64 beziehungsweise 66 aufweisen. Wie in der Fig. 1 dargestellt und weiterhin mit Bezugnahme auf die Fig. 2 nachfolgend beschrieben, können diese Schutz-Band-Elektroden wesentlich dicker sein, als die obere und untere Elektrode 30 beziehungsweise 32, um die Normalmasse 16 von der oberen und unteren Elektrode entfernt zu halten. Das erlaubt ein erfolgreiches Einschalten von Beschleunigungsmessern 10 mit closed-loop-Schaltungen unter Beschleunigung, ohne zusätzli­ che, spezielle Beschaltung.
Die Spalte zwischen der oberen Elektrode 30 und der oberen Schutz-Band-Elektrode 64 auf der oberen Glasschicht 26 sowie der unteren Elektrode 32 und der unteren Schutz-Elektrode 66 auf der unteren Glasschicht 28 können bestimmte Proble­ me bezüglich der Aufladung des Glases und der Kriechströme über die Spalte mit sich bringen. Wenn das Potential an ei­ ner solchen Elektrode gewechselt wird, wird sich wegen der Kriechströme auf der oberen und unteren Glasschicht 26 und 28 auch das Potential in der dazwischenliegenden Isolatorre­ gion von einem Wert auf einen anderen einstellen. Die Poten­ tialverteilung in diesen Spalten ändert sich, da sich die I­ solationseigenschaften in diesen Spalten mit der Feuchtig­ keit und anderen Umgebungsbedingungen ändern.
Das Potential in diesen Spalten wirkt wie eine Fortsetzung des Potentials der oberen oder unteren Elektrode 30 und 32.
Die Wirkung der elektrostatischen Kräfte der Potentiale in diesen Spalten kann von den Kräften, die von der oberen und unteren Elektrode 30 und 32 ausgeübt werden, nicht unter­ schieden werden. Die langsam wechselnden Potentiale in den Spalten erzeugen deshalb beim Einschalten und beim Wechseln der Beschleunigung Ausgleichsvorgänge bei den Kräften.
Zur Erklärung ist zu beachten, daß die Normalmasse 16 nur die Beeinflussungs-Meßwertgeberelektroden 30 und 32 bei den oberen und unteren Kräften erkennt. Der Schutzring 64, 66, der um die Normalmasse 16 herum angeordnet ist, um die Ein­ schaltprobleme zu vermeiden, weist jedoch ein von den Elektroden 30 und 32 unterschiedliches Potential auf. Wenn wegen eines Wechsels der Beschleunigung das Potential der Elektroden 30 und 32 wechselt, wird sich das Potential der Glasregion zwischen den Elektroden 30 und 64 auf der oberen Seite oder der Glasregion zwischen den Elektroden 32 und 66 auf der unteren Seite ebenso ändern müssen. Das Glas zwischen den Hauptelektroden und dem Schutzring kann als Wi­ derstandsmaterial mit sehr hohem Widerstand angesehen werden.
Wenn das Potential der Elektroden 30 und 32 wechselt, wird sich die Region zwischen den Elektroden und ihren Schutzrin­ gen ändern, aber diese Änderung geht wegen des hohen Wider­ stands des Glases langsam vor sich.
Der Weg, eine signifikante Beeinflussung durch die Glasregion zwischen den Elektroden zu vermeiden, besteht darin, die Hauptelektroden 30 und 32 überall viel größer als die Nor­ malmasse auszuführen. Die Schutz-Elektroden müssen jedoch in Form von vier kleinen Stellen oder Fingern 74, 75, 76 und 77 eingebracht werden; um die Normalmasse (Fig. 2 und 3) zu berühren, sollte die Normalmasse gegen die obere Glasschicht gedrückt werden. Die Elektrodenform ist dann so angeordnet, daß sich der Schutzring nur in diesen Fingern über den Be­ reich der Normalmasse ausdehnt. Andererseits befindet sich die Glasregion, die langsam aufzuladen ist, außerhalb des Bereichs, in dem sie die Normalmasse beeinflussen kann. Nichtsdestoweniger ragen die vier Finger 74 bis 77 hinein, und die Wirkung des Glases in diesen Bereichen um die vier Finger ist bedeutend. Mit dem Ziel, die Wirkung dieser Glas­ region zu reduzieren, ist in der Normalmasse unter der Glas­ region eine V-förmige Nut 21 so angeordnet, daß, wegen der vergrößerten Entfernung zwischen dem Glas und der Normalmas­ se, eine Beeinflussung, die Normalmasse zu bewegen, nur eine minimale Wirkung hat, wenn sich die Ladung auf dem Glas langsam ändert. Jede Nut 21 begrenzt einen Pfosten 78 und 79, wie in der Fig. 3 gezeigt. Die Pfosten 78 und 79 dienen dazu, die Elektroden 64, 66 zu berühren, während die Elek­ troden 30, 32 von der Normalmasse unberührt bleiben, wenn die Vorrichtung unter Beschleunigung gestartet wird. Der Spalt zwischen der Normalmasse und dem Glas beträgt in die­ sem Bereich nicht mehr 3 Mikrometer, sondern ist viel größer, nahe an 20 oder 30 Mikrometer.
Auf diese Weise werden die Ausgleichs-Ansprechzeiten der Be­ schleunigung verringert oder eliminiert. Wie in der Fig. 3 genauer gezeigt ist, ist der Graben oder die V-förmige Nut 21 direkt unter den Spalten zwischen der oberen und unteren Elektrode 30 und 32 und der oberen und unteren Schutz-Band- Elektrode 64 und 66 auf der oberen und unteren Glasschicht 26 beziehungsweise 28 in die Normalmasse 16 geätzt.
Die V-förmige Nut 21 reduziert die Wirkung des Potentials in den Spalten auf der Normalmasse 16, indem ein großer Abstand dazwischen geschaffen wird, wie das zehnfache des normalen Abstandes zwischen der oberen Glasschicht 26 und der Normal­ masse 16. Die obere und untere Elektrode 30 und 32 kön­ nen sich über die Normalmasse 16 hinaus erstrecken, so daß die Wirkung des Feldes des Glases zwischen der oberen Elektrode 30 und der oberen Schutz-Band-Elektrode 64 und der unteren Elektrode 32 und der unteren Schutz-Band-Elektrode 66 minimiert wird. Die oberen und die unteren Glasoberflä­ chen sind bei 26a und 28a metallisiert und mit Masse verbunden, um den Meßwertgeber gegen äußere, elektrische Felder und gegen die Beeinflussung durch äußere Leiter abzu­ schirmen.
Alternativ dazu kann eine schwach leitfähige Oberflächenbe­ schichtung (1010 Ohm pro ) auf der oberen und unteren Glas­ schicht 26 und 28, insbesondere in den Spalten, vorgesehen werden. Die Wirkungen der Potentiale der Spalte würden nicht beseitigt, aber die Potentialverteilung in dem Spalt würde meist sofort festgelegt und konstant gehalten, was eine be­ friedigende Ermittlung der Beschleunigung, ohne unerwünschte Ausgleichsvorgänge, ermöglicht, sofern der Widerstand der Beschichtung der Oberfläche hoch genug ist, daß keine Inter­ ferenz mit der Erfassung eintritt.
Es wird nun auf die Fig. 2 Bezug genommen. Der Meßwertgeber des Beschleunigungsmessers 12 ist in einer teilweise per­ spektivischen Explosivdarstellung gezeigt, in der die obere Glasschicht 26 in eine offene Position gedreht wurde und der verbleibende Teil wegen einer besseren Erkennbarkeit wegge­ lassen wurde. Wie oben bemerkt, wurde die obere Elektrode 30 durch Aufdampfen von Aluminium oder Gold auf die obere Glas­ schicht hergestellt. Die obere Elektrode 30 wird von oberen Schutz-Band-Elektroden 64 umgeben. In der gleichen Weise ist ein Teil der unteren Schutz-Band-Elektrode 66 auf der unte­ ren Glasschicht 28 durch das teilweise Weglassen von Teilen der Siliziumschicht 24 sichtbar gemacht worden. Das Ende der unteren Elektrode 32 ist ebenfalls zu sehen.
Der metallische Kontaktblock 81 auf der Siliziumschicht bil­ det den elektrischen Kontakt dieser Schicht. Bonddrähte mit 0,025 mm Dicke aus Gold oder Aluminium verbinden die Enden der Elektroden 32, 66, 30 und 64 und den Kontaktblock 81 mit den elektrischen Schaltkreisen 14 und 14a. Die Bonddrähte sind in einer von verschiedenen Arten, die in der Industrie der integrierten Schaltkreise üblich sind, befestigt.
Die oberen und unteren Schutz-Band-Elektroden 64 und 66 kön­ nen im Vergleich mit der Dicke der oberen und unteren Elek­ trode 30 und 32 zweckmäßig mit einer doppelten Dicke der Schicht der Metallisierung hergestellt werden. Diese zusätz­ liche Dicke sichert, daß die Normalmasse 16 während der Ein­ schaltung des Beschleunigungsmessers von der oberen und un­ teren Elektrode 30 beziehungsweise 32 ferngehalten wird. Die obere und untere Schutz-Band-Elektrode werden auf dem glei­ chen Potential gehalten, wie die Normalmasse 16.
Wie weiterhin in der Fig. 2 zu sehen ist, können die obere und die untere Glasschicht zur Vereinfachung der Herstellung identisch ausgeführt sein. Wo immer es möglich ist, wird der Meßwertgeber 12 symmetrisch entworfen und hergestellt, um mechanische Spannungen und Drifterscheinungen zu reduzieren.
Das Material, das für die obere und untere Glasschicht 26 und 28 verwendet wurde, zum Beispiel Borsilikat-Pyrex-Glas, Sorte 7740, sollte wegen der Wärmedehnung so gut wie möglich zu dem der Normalmasse 16 passen. Es kann auch Silizium mit geeigneten, isolierenden Schichten für die oberen und unteren Teile des Meßwertgeber-Sandwiches verwendet werden.
Auf der oberen Oberfläche der Siliziumschicht 24 sind, wie gezeigt, Nuten 68 und 70 angeordnet, um die Isolierung der oberen Elektrode 30 und der oberen Schutz-Band-Elektrode 64 gegen einen Kontakt mit der Siliziumschicht 24 zu sichern, wobei gleichartige Isolationsnuten, in dieser Ansicht nicht sichtbar, auf der unteren Oberfläche der Siliziumschicht 24 vorgesehen sind, um die untere Schutz-Band-Elektrode 66 und die untere Elektrode 32 gegen einen elektrischen Kontakt mit der Siliziumschicht 24 zu isolieren.
Die Normalmasse 16 ist in der teilweise weggeschnittenen An­ sicht, mit der Siliziumschicht durch die flexible Biegestel­ le 22 verbunden, sichtbar. Die Biegestelle 22 kann als ein­ fache Scharnierverbindung ausgeführt sein, aber, wie ge­ zeigt, wird vorzugsweise eine symmetrisch ge­ teilte Biegestelle verwendet, so wie diese, die durch die Scharniere 25 und 27 gebildet wird, um Verschiebungen der Normalmasse, bedingt durch Verbiegungen der Normalmasse des Meßwertgebers 12, zu minimieren. In der Biegestelle 22 ist ein Minimum an Festigkeit erforderlich, um einen Bruch, verursacht durch Kräfte in der Ebene des Siliziums, zu ver­ meiden und einer elektrostatischen Spanninstabilität zu wi­ derstehen.
Die Konstruktion des Meßwertgebers 12 des Beschleunigungs­ messers, einschließlich der Normalmasse 16 und der Biege­ stelle 22, kann mit geeigneten, integrierten Schaltkreisen und mit Feinstbearbeitungstechnologien ausgeführt werden. Es sind verschiedene, gesteuerte Ätztechniken geeignet, um die Normalmasse 16 aus der umgebenden Siliziumschicht zu formen, wobei eine begrenzte, physikalische Verbindung verbleibt, um die Biegestelle 22 zu bilden. Die Biegestelle 22 kann einige Stunden bei einer hohen Temperatur, zum Beispiel 1000°C, ausgeglüht werden, um jegliche, ungleichmäßigen Spannungen zu reduzieren, die durch die Fabrikation von hohen Dotierungs­ gradienten und/oder -Konzentrationen entstehen. Die oberen und unteren Glasschichten sind gleichzeitig mit der Silizi­ umschicht anodisch verbunden, um ein Verziehen zu vermeiden.
Die obere und untere Oberfläche der Normalmasse 16 müssen durch Wegätzen der Oberflächen der Siliziumschicht so gebil­ det werden, daß geeignete Spalte, in der Größenordnung von ungefähr 2 Mikrometern, zwischen der Normalmasse 16 und der oberen beziehungsweise unteren Glasschicht 26 beziehungswei­ se 28 gebildet werden.
Die äußeren Oberflächen der Glasschichten 26a und 28a sind vorzugsweise mit einem leitfähigen Überzug metallisiert, so daß bei der Verwendung diese äußere Metallisierung mit einem genau definierten Potential verbunden werden kann, wie mit der Systemmasse, und die inneren Strukturen gegen die Wir­ kungen äußerer, elektrischer Felder abschirmt, die andern­ falls Fehler verursachen können.
Der Meßwertgeber kann auf einem Block 29 aus elastischem Ma­ terial angeordnet werden, wie in der Fig. 2 gezeigt, um die Spannungen von einer Montagefläche zu reduzieren, die unter­ schiedliche Expansionseigenschaften haben kann, und die Vibrationsübertragung von einer solchen Montagefläche zu re­ duzieren. Der Block 29 verhindert ein Verziehen des Meßwert­ gebers, das durch verschiedene Wärmedehnungen in Bezug auf das Material des Bausteins oder durch mechanische Verzer­ rungen des Bausteins während des Gebrauchs verursacht werden kann. Würden sie zugelassen, würden derartige Verziehungen kleine Fehler in den Meßwertgeber einbringen und so seinen dynamischen Bereich begrenzen. Der elastische Block wird vorzugsweise elektrisch leitfähig gemacht, indem er mit einem geeigneten Material, wie Ruß oder Silberpulver, angerei­ chert wird, was einen leichten, elektrischen Kontakt mit der unteren, metallisierten Oberfläche der Schicht 28 ermöglicht.
Der Sensorschaltkreis 14 kann bequem durch herkömmliche, in­ tegrierte Schaltkreis-Fabrikationstechnik, als Teil dessel­ ben, physikalischen Grundelements wie der Meßwandler 12 des Beschleunigungsmessers, hergestellt werden. Der Meßwertgeber 12 des Beschleunigungsmessers 10 und der Sensorschaltkreis 14 können in demselben, hermetisch versiegelten, flachen Bau­ stein oder in einem anderen, geeigneten Hybridgehäuse angeord­ net sein.
Während des Betriebes gleicht der Sensorschaltkreis 14 die Kapazitäten durch Anwenden elektromotorischer Kräfte auf die Normalmasse 16 aus, um sie in eine nichtzentrische Position zu bewegen und dort festzuhalten, wenn irgendwelche Unausge­ glichenheiten in den Kapazitäten zwischen der Normalmasse 16 und den oberen und unteren Elektroden 30 und 32 vorhanden sind, wenn die Normalmasse 16 zentriert ist. Diese nichtzen­ trische Position erzeugt eine Nichtlinearität zweiter Ord­ nung, wenn sie nicht durch eine geeignete Vorspannungsver­ schiebung auf den Verstärker 60 kompensiert wird, oder durch eine Kompensationskapazität, die zwischen die Normalmasse 16 und die obere Elektrode 30 oder zwischen die Normalmasse 16 und die untere Elektrode 32 zugeschaltet wird.
Es wird nun wieder auf die Fig. 1 Bezug genommen. Die Signal­ quelle 38 kann zum Beispiel eine Wechselspannungsquelle mit 4 Volt Amplitudenspannung sein, wie ein Rechteckwellengene­ rator, mit zum Beispiel 10 MHz. Dieses Wechselspannungssig­ nal wird zusammen mit der geeigneten Gleich-Vorspannung von der Bezugsspannungsquelle 35 an die Siliziumschicht angelegt und damit an die Normalmasse 16. Wenn sich die Normalmasse in der neutralen Lage befindet, ist das Wechselspannungssig­ nal gleichmäßig an die obere und untere Elektrode 30 und 32 angekoppelt. Die kapazitiven Aufnahmen zwischen der Normalmasse 16 und der oberen beziehungsweise unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 werden in der Differenz-Brückenschal­ tung 46 verglichen.
Es ist wichtig zu bemerken, daß die Kondensatoren 42 und 44 im Vergleich zu den Kapazitäten, die zwischen der oberen und unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 und der Normal­ masse 16 gebildet werden, groß sind und deshalb eine ver­ nachlässigbare Wirkung auf die neutrale Position der Normal­ masse 16 haben. In der neutralen Position sind die Werte ausgeglichen, und es wird kein Differenzsignal an den Ver­ stärker 60 gegeben, so daß dadurch kein Differenz-Gleich­ spannungssignal an die obere und untere Elektrode gegeben wird.
Diese Elektroden 30 und 32 nehmen ein Hochfrequenzsignal, nämlich 10-MHz-Signal, vom Generator 38 auf, gekoppelt durch geeignete Spalte von der Normalmasse 16 zu der Elektrode 30 und von der Normalmasse 16 zu der Elektrode 32.
Nun soll der Signalfluß verfolgt werden: Das Wechselspan­ nungssignal vom Generator 38 ist an die Normalmasse 16 ge­ koppelt, womit es weiterhin von der Normalmasse 16 über die Luftspalte mit der oberen und unteren Elektrode 30 bezie­ hungsweise 32 gekoppelt ist. Wenn dem Signalweg von der E­ lektrode 30 gefolgt wird, trifft das Signal auf der einen Seite auf den Widerstand R1 verhältnismäßig hoher Impedanz, zwischen 10 und 30 kOhm, der es von dem Verstärker isoliert, und auf den Kondensator 42, der ein großer Kondensator ist, und ihm leicht ermöglicht, zu der Vierdioden-Brücke zu gelangen. Auf der anderen Seite läuft das Gleichspannungs- Rückkoppelsignal, das vom Verstärker kommt, über den Strom­ pfad zum Widerstand R1. Da hier ein sehr geringer Gleich­ strom fließt, entsteht über den Widerstand R1, von dem das Gleichspannungssignal direkt zu der Elektrode 30 geführt wird, nur ein vernachlässigbar geringer Spannungsabfall. Der Kondensator 42 stellt sicher, daß das Gleichspannungssignal von der Vierdioden-Brückenschaltung ferngehalten wird. Die gleiche Erläuterung trifft auch auf die Wirkung des Wider­ stands R2 und des Kondensators 44 zu.
Bei Betrieb verursacht die Beschleunigung eine relative Be­ wegung zwischen der Normalmasse 16 und der oberen und unte­ ren Elektrode 30 beziehungsweise 32, da die Normalmasse 16 versucht, um die Biegestelle herum zu schwenken. Wenn sich die Normalmasse 16 bewegt und sich einer Elektrode, wie der Elektrode 32, nähert, verursacht die vergrößerte, kapazitive Aufnahme des Wechselspannungssignals von der Signalquelle 38, daß über den Differenz-Brückenschaltkreis eine Spannung an den Verstärker angelegt wird. Die resultierende, vergrößerte Gleich-Signalspannung, die über den Inverter 62 an die un­ tere Elektrode 32 angelegt wird und die verringerte Span­ nung, die vom Verstärker 60 an die obere Elektrode 30 ange­ legt wird, sichern, daß eine elektrostatische Kraft auf die Normalmasse 16 ausgeübt wird, um der Beschleunigungskraft entgegenzuwirken und die Normalmasse 16 in ihrer neutralen Position zu halten. Das verringerte Signal, das an den In­ verter 62 angelegt wird, kann als Beschleunigungsausgang er­ faßt werden und ist proportional der ausgeübten Beschleuni­ gungskraft.
Eine vernachlässigbare Abweichung der Normalmasse 16 im Spalt, aus ihrer nominalen Position heraus, ist für eine ge­ nügend hohe Verstärkung des Verstärkers 60 ausreichend, wenn eine Beschleunigung ausgeübt wird, weshalb die Linearität gesichert ist. Zur Aufrechterhaltung der Stabilität des An­ sprechens des Beschleunigungsmessers 10 mit geschlossener Schleife, mit hoher Verstärkung des Verstärkers 60, ist es erforderlich, eine Verringerung der hohen Verstärkung bei hohen Frequenzen zu erhalten. Ein bestimmter, vorteilhafter Mechanismus zum Erreichen eines Abrutschens der Verstärkung bei hoher Frequenz besteht im Schaffen einer viskosen Dämp­ fung, zum Beispiel der Verwendung von Gas oder Flüssigkeit im Spalt zwischen der oberen und unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 und der Normalmasse 16, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist.
Es wurde also ein neuer Miniatur-Beschleunigungsmesser und ein Verfahren zu seiner Herstellung in Feinstbearbeitung ge­ schaffen, der zu anderen Gesichtspunkten einen großen Dyna­ mikbereich mit einem ausgezeichneten Verhältnis der Genau­ igkeit über den vollen Meßbereich aufweist. Der Beschleuni­ gungsmesser ist hochsymmetrisch. Im einzelnen ist das Gelenk in der Mittelebene der Normalmasse angeordnet, und die Struk­ tur ist ausgeglichen, um Verschiebungen zu vermeiden. Das ergibt eine gute Vorspannungsstabilität des Bereichsverhält­ nisses. Der Beschleunigungsmesser ist mit einer geschlos­ sene Schleife ausgeführt, mit einer ausnahmsweise hohen Schleifenverstärkung und einem sehr schwachen Gelenk, ver­ glichen mit den Pendel- und elektrostatischen Kräften. Das ergibt ebenfalls eine gute Vorspannungsstabilität im Be­ reichsverhältnis. Die unterschiedliche Beeinflussung mit Verschiebungen wirkt in Verbindung mit der hohen Verstär­ kung der geschlossenen Schleife, um die Fehler durch die Nichtlinearitäten und Pendelvibrationen zu minimieren.
Sekundäre Störungen, die Vorspannungsfehler ergeben können, wurden in der vorliegenden Erfindung durch eine Anzahl von Gesichtspunkten eliminiert, die unter anderem enthalten:
  • 1. Elektrostatische Abschirmung der Außenseite des Chips;
  • 2. Vergrößern der Elektroden, um Streufelder zu minimieren;
  • 3. Auswahl von Elektrodenmetallen bezüglich der Oberflächen­ stabilität im Atomniveau, das heißt hygroskopische Lac­ kierung oder Eloxierung;
  • 4. Ätzen von Nuten, um die Wirkung der verbleibenden Streu­ ung zu reduzieren;
  • 5. Verwendung einer Widerstandsbeschichtung, um die Vertei­ lung der Ladung in den Elektrodenspalten zu stabilisieren;
  • 6. Schlitzen des Gelenks, um die Wirkung der strukturellen Verschiebung zu reduzieren;
  • 7. Verwendung eines elastischen Blocks, um strukturelle Verschiebungen als Folge verschiedener Ausdehnung oder ande­ rer, äußerer Kräfte zu vermeiden.
Zusätzlich vereinfacht die vorliegende Erfindung den Servo­ betrieb des Beschleunigungsmessers durch Anwendung der Erre­ gung auf die Normalmasse und durch die Anordnung der Kon­ struktion, derart, daß die Aufnahme- und die Beeinflussungs­ elektroden nun dieselben sind.

Claims (24)

1. Miniatur-Beschleunigungsmesser mit zwei Elektrodenschichten (30, 32), einer Silizium-Normalmasse (16), einer Einrichtung zum Aufhängen der Normalmasse (16) zwischen den Elektrodenschichten (30, 32), einer linearen Einrichtung, die auf unterschiedliche, kapazitive Kopplungen zwischen den Elektrodenschichten und der Normalmasse (16) anspricht, um ein elektrisches Signal zur Gegenwirkung gegen die Beschleunigungskräfte, die auf die Normalmasse (16) wirken, zu erzeugen und einer Einrichtung zur Messung der Größe und des Vorzeichens des Signals, als Maß der Beschleunigung, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Gegenwirkung gegen die Beschleunigung enthält:
eine Einrichtung zum Anlegen eines Wechselspannungssignals direkt an die Normalmasse (16);
eine Einrichtung zum Erfassen des Wechselspannungssignals, gekoppelt mit den Elektroden davon, und
eine Einrichtung, die auf das Wechselspannungssignal anspricht, das erfasst wird, um für die Gegenkräfte gegen die Beschleunigung der Normalmasse (16) verwendet zu werden.
2. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Anwendung einer Vorspannungsverschiebung auf einen Verstärker (60), um die Wirkung der unvollkommenen Zentrierung und der Vibrationsrektifikation zu verringern.
3. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung, die auf das erfasste Wechselspannungssignal anspricht, weiterhin enthält:
eine Einrichtung zur Anwendung unterschiedlicher, elektrostatischer Kräfte zwischen den Schichten (30, 32) und der Normalmasse (16), linear zu dem erfassten Wechselspannungssignal.
4. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Anwendung der elektrostatischen Kräfte weiterhin enthält:
eine Einrichtung zum Anlegen unterschiedlicher Gleichspannungssignale zwischen den Schichten (30, 32) und der Normalmasse (16), proportional zu den erfassten Wechselspannungssignalen, und
eine Einrichtung zur Anwendung von Gleich-Vorspannungen zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) und der Normalmasse (16), um elektrostatische Kräfte, die zwischen diesen angewendet werden, linear proportional zur Beschleunigung zu machen.
5. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Normalmasse (16) ein Teil einer Siliziumschicht (24) ist, die zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) eingeschlossen ist.
6. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Siliziumschicht (24) weiterhin eine Biegestelle (22) enthält, die in der Mittelebene (23) der aufgehängten Normalmasse (16) wirkt.
7. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegestelle (22) als geteilte Konstruktion ausgeführt ist, die symmetrisch ausgeglichene Scharniere (25, 27) aufweist.
8. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein dünner Film aus Gas oder Flüssigkeit im Spalt zwischen der Normalmasse (16) und den Elektrodenschichten (30, 32) vorgesehen ist, um eine viskose Dämpfung zwischen diesen zu bewirken.
9. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrodenschicht (30, 32) weiterhin enthält:
eine Einrichtung zur Anwendung elektrostatischer Kräfte auf die Normalmasse (16), die auf die Einrichtung für die Gegenkräfte gegen die Beschleunigungskräfte, die hierauf angewendet werden, anspricht, und
Schutz-Elektroden (64, 66) zur Vermeidung einer Berührung zwischen den Beeinflussungselektroden (30, 32) und der Normalmasse (16).
10. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrodenschicht (30, 32) weiterhin enthält:
eine Metallisierung der Beeinflussungselektroden, zur Anwendung einer elektrostatischen Kraft auf die Normalmasse (16), und
eine Metallisierung der Schutz-Elektroden (64, 66), wesentlich dicker, als die Metallisierung der Beeinflussungselektroden, um eine Berührung zwischen der Metallisierung der Beeinflussungselektrode und der Normalmasse (16) zu vermeiden.
11. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Reduzierung von Ausgleichsvorgängen bei Veränderungen der elektrostatischen Kräfte, die aus verschiedenen Potentialen zwischen den Metallisierungen der Schutz- und Beeinflussungselektroden resultieren.
12. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Reduzierung der Ausgleichsvorgänge bei den elektrostatischen Kräften weiterhin enthält:
Nuten (21) in der Normalmasse (16), gegenüber dem Teil der Elektrodenschichten zwischen der Metallisierung der Beeinflussungs- und der Schutzelektrode, um die Wirkung der elektrostatischen Kräfte zu reduzieren, die durch diese auf die Normalmasse ausgeübt werden.
13. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Reduzierung der Ausgleichsvorgänge bei den elektrostatischen Kräften weiterhin eine Widerstandsbeschichtung auf den Teilen der Glasschichten (26, 28) zwischen den Metallisierungen der Beeinflussungs- und der Schutzelektroden, zur Erhaltung einer gut definierten Potentialverteilung zwischen diesen, enthält.
14. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine leitende Metallisierungsschicht auf den äußeren Oberflächen (26a, 28a) der Glasschichten (26, 28), um den Meßwertgeber (12) gegen äußere, elektrische Felder abzuschirmen.
15. Verfahren zum Erfassen der Beschleunigung, unter Verwendung einer Normalmasse (16) und Elektroden, die einen Beschleunigungsmesser bilden, mit folgenden Schritten:
Aufhängen der Normalmasse (16) in einer balancierten Position, zwischen den Elektroden (30, 32), um gleiche Kopplungskapazitäten zwischen den Elektroden und der Normalmasse zu definieren;
elektronisches Erfassen der unterschiedlichen, kapazitiven Kopplungen zwischen den Elektroden und der Normalmasse, wenn die Normalmasse durch die Beschleunigung aus der balancierten Position herausbewegt wird;
elektronische Erzeugung eines elektrischen Signals, das eine elektromotorische Kraft auf der Normalmasse erzeugt, die dazu tendiert, die Normalmasse in ihre balancierte Position zu bewegen, wenn es an den Elektroden angewendet wird;
Anwenden des elektrischen Signals an den Elektroden, um eine Gegenkraft gegen die Beschleunigung zu erzeugen, die auf die Normalmasse ausgeübt wird, und
Messen der Größe und des Vorzeichens des elektrischen Signals, das erforderlich ist, um die Balance wieder herzustellen, als Maß für die Beschleunigung, die auf die Normalmasse ausgeübt wird,
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte zur Anwendung der Gegenkräfte:
Anlegen eines Wechselspannungssignals direkt an die Normalmasse (16);
Erfassen des Wechselspannungssignals, das von der Normalmasse an die Elektroden (30, 32) angekoppelt wird, und
Anwenden der Gegenkräfte gegen die Beschleunigung an der Normalmasse, abhängig von den erfassten Wechselspannungssignalen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Anwendung unterschiedlicher, elektrostatischer Kräfte zwischen den Elektroden (30, 32) und der Normalmasse (16), linear proportional zu den erfassten Wechselspannungssignalen.
17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte zur Anwendung unterschiedlicher, elektrostatischer Kräfte:
Anlegen unterschiedlicher Gleichspannungen zwischen den Elektroden (30, 32) und der Normalmasse (16), proportional zu den erfassten Gleichspannungssignalen, und
Anlegen von Gleich-Vorspannungen zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) und der Normalmasse (16), um die elektrostatischen Kräfte, die zwischen diesen wirken, linear proportional zur Beschleunigung zu machen.
18. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte zur Anwendung von Gegenkräften gegen die Beschleunigung auf die Normalmasse:
Anwenden einer elektrostatischen Kraft von einer Beeinflussungselektrode (30, 32) auf die Normalmasse (16) und
Verhindern einer Berührung zwischen der Beeinflussungselektrode und der Normalmasse mit Hilfe einer Schutz-Elektrode (64, 66).
19. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Reduzierung von Ausgleichsvorgängen bei Veränderungen der elektrostatischen Kräfte, die aus Differenzen in den Potentialen zwischen den Beeinflussungselektroden und den Schutz-Elektroden resultieren.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zur Reduzierung der Ausgleichsvorgänge die Vergrößerung der Entfernung zwischen der Normalmasse und der Glasschicht (26, 28) zwischen den Beeinflussungselektroden (30, 32) und den Schutz-Elektroden (64, 66) beinhaltet.
21. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch das Aufbringen einer Widerstandsbeschichtung auf den Teilen der Glasschichten (26, 28) zwischen den Beeinflussungselektroden (30, 32) und den Schutzelektroden (64, 66), um eine konstante Potentialverteilung zwischen diesen zu erhalten.
22. Miniatur-Beschleunigungsmesser mit:
zwei Elektrodenschichten (30, 32) mit metallischen Elektroden;
einer Silizium- Normalmasse (16), die zwischen den Elektrodenschichten aufgehängt ist;
einer Einrichtung, die auf die Elektroden anspricht, um ein Wechselspannungssignal direkt an die Normalmasse (16) anzulegen;
einer Einrichtung, die auf die Elektroden anspricht, um Gleichspannungssignale zu erfassen, die mit den Elektrodenschichten derselben gekoppelt sind, und
einer Einrichtung, die auf die erfassten Wechselspannungssignale anspricht, um unterschiedliche, elektrostatische Kräfte zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) und der Normalmasse (16) anzuwenden, linear proportional zu den erfassten Wechselspannungssignalen.
23. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch metallisierte Elektroden (30, 32), die sich über die Normalmasse (16) hinaus erstrecken.
24. Beschleunigungsmesser, nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur elastischen Montage des Beschleunigungsmessers.
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