DE4424635A1 - Mikromechanischer Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Beschleunigungssensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist bereits aus der nicht veröffentlichten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen P 42 08 043.6-52 ein mikromechanischer Beschleunigungssensor bekannt, der aus einem Feder-Masse- System besteht, wobei eine seismische Masse mit mindestens zwei Stegefedern aufgehängt ist. An mindestens einer Stegefeder sind Mittel zur Anregung einer resonanten Biegeschwingung angeordnet. Eine einwirkende Beschleunigung lenkt die seismische Masse aus ihrer Ruhelage aus. Die Auslenkung der seismischen Masse bewirkt eine Änderung der resonanten Biegeschwingungsfrequenz der Biegefeder. Aus der Frequenzänderung wird von einer Auswerteschaltung ein Signal ermittelt, das proportional zur einwirkenden Beschleunigung ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße mikromechanische Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Richtung der einwirkenden Beschleunigung aufgrund der gewählten Anordnung der Biegefedern ermittelbar ist.

Die Biegefedern sind in einem flachen Winkel zueinander ausgerichtet, so daß die resonant schwingende Biegefeder bei einer Auslenkung der seismischen Masse in Abhängigkeit von der Auslenkungsrichtung eine Zug- oder eine Druckspannung erfährt. Somit ist die Auslenkungsrichtung in Abhängigkeit von der Zug- oder Druckspannung ermittelbar.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen mikromechanischen Beschleunigungssensors möglich. Eine bevorzugte Ausbildung des Beschleunigungssensors besteht darin, jeweils zwei Paare von Biegefedern anzuordnen, wobei die Biegefedern eines Paares annähernd in einer Flucht angeordnet sind und die Fluchten annähernd parallel zueinander ausgerichtet sind. Sind die erste und dritte Biegefeder und die zweite und vierte Biegefeder parallel zueinander ausgerichtet, gleichen sich intrinsische Spannungen im Beschleunigungssensor aus, da die seismische Masse in ihrer Ruhelage nicht exakt festgelegt ist. Dadurch wird die Auslenkung nicht von Schichtspannungen beeinflußt. Die Sensorkennlinie wird linearisiert und das Meßergebnis wird präzisiert.

Für spezielle Anwendungen ist es von Vorteil, die erste und dritte Biegefeder und die zweite und die vierte Biegefeder in Richtung auf die seismische Masse zusammen laufen zu lassen. Dadurch wird die Ruhelage der seismischen Masse genau festgelegt und intrinsische Spannungen werden konserviert und können für die Funktionsweise des Beschleunigungssensors ausgenutzt werden.

Auf diese Weise wird eine einfache Bauweise des Beschleunigungssensors realisiert, wobei die Auslenkung der seismischen Masse in einer Ebene sichergestellt ist und die relative Frequenzänderung der resonant schwingenden Biegefedern bei einwirkender Beschleunigung groß ist.

Durch die Verwendung einer weiteren resonant schwingenden Biegefeder, die eine Verschiebung der resonanten Biegeschwingungsfrequenz erfährt, wenn die seismische Masse ausgelenkt wird, wird die Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors erhöht. Besonders vorteilhaft ist es, eine weitere resonante Biegefeder zu wählen, die gegenphasig zur ersten resonant schwingenden Biegefeder bei Auslenkung der seismischen Masse ausgelenkt wird. Dadurch ist es möglich, immer eine Zug- und eine Druckspannung zur Ermittlung der Richtung und der Größe der Beschleunigung zur Verfügung zu haben. Damit wird die Genauigkeit des Beschleunigungssensors erhöht.

Eine besonders präzise und einfache Ermittlung der einwirkenden Beschleunigung besteht darin, aus den Frequenzverschiebungen von zwei gegenphasig ausgelenkten Biegefedern ein Signal zu ermitteln, insbesondere durch eine Subtraktion der Biegeschwingungsfrequenzen, das proportional zur einwirkenden Beschleunigung ist. Durch die Subtraktion ist das Signal unabhängig von den resonanten Biegeschwingungsfrequenzen der Biegefedern. Dadurch ist das ermittelte Signal unabhängig von Frequenzdrifterscheinungen der Biegefedern, die z. B. durch Alterung oder Temperaturänderung erzeugt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Beschleunigungssensors besteht darin, die Enden der in einer Flucht liegenden Biegefedern mit jeweils einer Aufhängestruktur zu verbinden, wobei jede Aufhängestruktur mit einer gemeinsamen Grundplatte verbunden ist. Auf diese Weise ist es möglich, intrinsische Schichtspannungen, die die resonanten Biegeschwingungsfrequenzen der Biegefedern verstimmen würden, zu relaxieren.

In vorteilhafter Weise werden die Aufhängestrukturen so ausgebildet, daß die Auslenkung der seismischen Masse von den Aufhängestrukturen begrenzt wird. Dadurch wird eine Beschädigung der Biegefedern durch eine zu große Beschleunigung und die damit verbundenen Auslenkung der seismischen Masse vermieden.

Besonders vorteilhaft ist es, die seismische Masse des Beschleunigungssensors mit Hilfe der Biegefedern so zu befestigen, daß die seismische Masse nur in einer Ebene auslenkbar ist. Auf diese Weise wird die Genauigkeit des Beschleunigungssensors erhöht.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 einen ersten mikromechanischen Beschleunigungssensor, Fig. 2 einen weiteren mikromechanischen Beschleunigungssensor, Fig. 3 einen mikromechanischen Beschleunigungssensor, wobei zwei Biegefedern zu resonanter Schwingung angeregt werden, und Fig. 4 einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit Aufhängeteilen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer Grundplatte 14, auf der über vier Anschlußpunkte 13 eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Biegefeder 2, 3, 4, 5 befestigt sind. Mit Hilfe der ersten, zweiten, dritten und vierten Biegefeder 2, 3, 4, 5 ist eine seismische Masse 1 aufgehängt. Die seismische Masse 1 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer quadratischen Siliziumplatte. Die Siliziumplatte kann jedoch auch andere Formen wie z. B. eine Rechteckform annehmen. An den vier Eckbereichen der seismischen Masse 1 ist jeweils eine Biegefeder 2, 3, 4, 5 befestigt. Die seismische Masse 1 wird von den Biegefedern 2, 3, 4, 5 in einem festgelegten Abstand zur Grundplatte 14 gehalten. Jeweils zwei Biegefedern sind in einer Flucht angeordnet, so daß zwei annähernd parallel ausgerichtete Paare von gefluchteten Biegefedern angeordnet sind. Auf diese Weise ist die seismische Masse 1 nur senkrecht zu den gefluchteten Biegefedern auslenkbar. Die Biegefedern 2, 3, 4, 5 sind als lange, schmale und hohe Biegefedern ausgebildet, so daß die seismische Masse 1 nur in einer Ebene parallel zur Grundplatte 14 auslenkbar ist. Die Biegefedern sind im Querschnitt rechteckförmig. Die Ebene, in der die seismische Masse 1 auslenkbar ist, kann je nach Anwendungsfall durch die Form und Anordnung der Biegefedern 2, 3, 4, 5 bestimmt werden.

Auf der Grundplatte 14 ist eine erste Oszillatorschaltung 6 aufgebracht. Die erste Oszillatorschaltung 6 ist über eine erste Frequenzleitung 9 mit einem ersten Frequenzabnehmer 7 verbunden. Die erste Oszillatorschaltung 6 weist zusätzlich eine erste Antriebsleitung 10 auf, die zu einem ersten elektrostatischen Antrieb 8 geführt ist. Zusätzlich führt eine erste Masseleitung 11 zur vierten Biegefeder 5. Die vierte Biegefeder 5 weist eine erste Kammstruktur 26 auf, die in die Kammstruktur des Frequenzabnehmers 7 eingreift. Zusätzlich weist die vierte Biegefeder 5 eine zweite Kammstruktur 27 auf, die in die Kammstruktur des elektrostatischen Antriebs 8 eingreift. Weiterhin weist die erste Oszillatorschaltung 6 eine erste Ausgangsleitung 12 auf, die mit einer Auswerteschaltung 21 verbunden ist. In der Fig. 1 ist jeweils zwischen den Verbindungspunkten 13, deren Biegefedern 2, 4, 3, 5 in einer Flucht ausgerichtet sind, eine Verbindungsgerade 25 gestrichelt eingezeichnet. Die Fig. 1 zeigt, daß die erste Biegefeder 2 und die zweite Biegefeder 4, die in einer Flucht angeordnet sind, einen flachen Winkel b in bezug auf die Verbindungsgerade 25 einnehmen. Die zweite und vierte Biegefeder 3, 5, die ebenfalls in einer Flucht angeordnet sind, weisen ebenfalls einen flachen Winkel a zur Verbindungsgeraden 25 auf. Die erste, zweite, dritte und vierte Biegefeder 2, 3, 4, 5 sind jeweils in Richtung auf die seismische Masse 1 von der Verbindungsgeraden 25 nach links weggeneigt.

Fig. 2 zeigt schematisch einen mikromechanischen Beschleunigungssensor mit einer Grundplatte 14, auf der über Verbindungspunkte 13 eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Biegefeder 2, 3, 4, 5 mit einem Ende befestigt sind. Das andere Ende jeder Biegefeder 2, 3, 4, 5 ist an je einen Eckbereich einer seismischen Masse 1 geführt. Die seismische Masse 1 ist in Form einer quadratischen Platte ausgeführt. Die seismische Masse 1 wird von den Biegefedern 2, 3, 4, 5 in einem festgelegten Abstand von der Grundplatte 1 gehalten. Auf der Grundplatte 14 ist eine erste Oszillatorschaltung 6 angeordnet, die über eine erste Frequenzleitung 9 mit einem ersten Frequenzabnehmer 7 verbunden ist. Die erste Oszillatorschaltung 6 weist eine erste Antriebsleitung 10 auf, die zu einem ersten elektrostatischen Antrieb 8 führt. Zusätzlich ist die erste Oszillatorschaltung 6 über eine erste Masseleitung 11 mit einer ersten Kammstruktur 26 und einer zweiten Kammstruktur 27 verbunden. Die erste Kammstruktur 26 greift in den ersten Frequenzabnehmer 7 ein, der als Kammstruktur ausgebildet ist. Die zweite Kammstruktur 27 greift in den elektrostatischen Antrieb 8 ein, der ebenfalls in Form einer Kammstruktur ausgebildet ist. Die erste Oszillatorschaltung 6 weist eine erste Ausgangsleitung 12 auf, die zu einer Auswerteschaltung 21 geführt ist. Die erste Biegefeder 2 und die dritte Biegefeder 4 sind in einer Flucht angeordnet. Die zweite Biegefeder 3 und die vierte Biegefeder 5 sind ebenfalls in einer Flucht angeordnet. Die erste Biegefeder 2 und die zweite Biegefeder 3 sind nebeneinander angeordnet, wobei sich der Abstand zwischen der ersten Biegefeder 2 und der zweiten Biegefeder 3 in Richtung auf die seismische Masse 1 verjüngt. Die dritte Biegefeder 4 und die vierte Biegefeder 5 sind ebenfalls nebeneinander angeordnet, und der Abstand zwischen der dritten Biegefeder 4 und der vierten Biegefeder 5 verkleinert sich in Richtung auf die seismische Masse 1. In diesem Ausführungsbeispiel weisen die erste Biegefeder 2 und die dritte Biegefeder 4 jeweils einen Winkel b gegenüber der Verbindungsgeraden 25, die in der Fig. 2 vom Verbindungspunkt 13 der ersten Biegefeder 2 zum Verbindungspunkt 13 der dritten Biegefeder 4 eingezeichnet ist. Die zweite Biegefeder 3 und die vierte Biegefeder 5 sind ebenfalls in einem Winkel a gegen die Verbindungsgerade 25, die zwischen dem Verbindungspunkt der zweiten und vierten Biegefeder 3, 5 eingezeichnet ist, geneigt.

Der mikromechanische Beschleunigungssensor entsprechend Fig. 1 und Fig. 2 ist aus Silicium gebildet. Vorzugsweise wird der mikromechanische Beschleunigungssensor aus Polysilicium oder aus Silicium auf Isolator (SOI) hergestellt.

Die Anordnung nach Fig. 1 funktioniert wie folgt: Mit Hilfe der ersten Oszillatorschaltung 6 wird die vierte Biegefeder 5 über den ersten elektrostatischen Antrieb 8 in eine resonante Biegeschwingung versetzt. Anstelle eines elektrostatischen Antriebes können auch andere Antriebe wie z. B. elektrothermische, elektromagnetische oder piezoelektrische Antriebe vorgesehen sein. Zugleich wird über den ersten Frequenzabnehmer 7 der ersten Oszillatorschaltung 6, der beispielsweise als kapazitiver Aufnehmer mit einer Kammstruktur ausgebildet ist, ein Signal zugeführt, aus dem die Oszillatorschaltung 6 die momentane Schwingungsfrequenz der vierten Biegefeder 5 ermittelt.

Die erste Oszillatorschaltung 6 arbeitet nach dem Rückkopplungsprinzip. Dabei verstärkt die erste Oszillatorschaltung 6 die Schwingungsfrequenz der vierten Biegefeder 5 und steuert mit dieser Schwingungsfrequenz mit entsprechend gewählter Phasenlage den ersten elektrostatischen Antrieb 8 so an, daß die Energieverluste der vierten Biegefeder 5 entdämpft werden und die vierte Biegefeder 5 zu einer entdämpften Schwingung angeregt wird.

Wirkt nun eine Beschleunigung auf die seismische Masse 1, die die seismische Masse nach links drückt, so erfährt die vierte Biegefeder 5 eine Zugspannung. Die einwirkende Zugspannung verursacht eine Änderung der Schwingungsfrequenz, die über den ersten Frequenzabnehmer 7 an die erste Oszillatorschaltung 6 geführt wird. Die momentane Schwingungsfrequenz der vierten Biegefeder 5 wird von der Oszillatorschaltung 6 über die erste Ausgangsleitung 12 an die Auswerteschaltung 21 weitergegeben. Aus der Verschiebung der resonanten Schwingungsfrequenz der vierten Biegefeder 5 wird die auf die seismische Masse 1 einwirkende Beschleunigung in der Auswerteschaltung 21 ermittelt.

Wird die seismische Masse 1 durch eine Beschleunigung nach rechts gedrückt, so erfährt die Biegefeder 5 eine Druckspannung. Diese Druckspannung verändert die resonante Biegeschwingung der vierten Biegefeder 5, so daß die erste Oszillatorschaltung 6 über den ersten Frequenzabnehmer 7 eine veränderte resonante Biegeschwingungsfrequenz erkennt. Aufgrund der veränderten Biegeschwingungsfrequenz kann die einwirkende Beschleunigung in der Auswerteschaltung 21 errechnet werden. Da sich die Änderung der resonanten Biegeschwingungsfrequenz der vierten Biegefeder 5 für Druck- und Zugspannung unterschiedlich ändert (erhöht oder erniedrigt), kann aus der Änderung der resonanten Biegeschwingungsfrequenz die Auslenkungsrichtung der seismischen Masse 1 und damit die Richtung der einwirkenden Beschleunigung ermittelt werden. Die besondere Anordnung der Biegefedern 2, 3, 4, 5 der Fig. 1 ermöglicht es, daß sich intrinsische Schichtspannungen, die die seismische Masse 1 und die Biegefedern 2, 3, 4, 5 aufweisen, entspannen können. Sind intrinsische Schichtspannungen vorhanden, so werden diese durch eine größere oder kleinere Auslenkung der seismischen Masse 1 nach links, weg von der Verbindungsgeraden 25, ausgeglichen. Damit wird verhindert, daß das Schwingungsverhalten der Biegefedern von Schichtspannungen beeinflußt wird.

Die Anordnung nach Fig. 2 funktioniert analog zu der Anordnung nach Fig. 1, wobei sich intrinsische Spannungen aufgrund der Anordnung der Biegefedern 2, 3, 4, 5 nicht ausgleichen können, da die seismische Masse 1 von den Biegefedern 2, 3, 4, 5 in einer vorgegebenen Ruheposition festgelegt ist.

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines mikromechanischen Beschleunigungssensors mit einer Grundplatte 14, auf der vier Verbindungspunkte 13 aufgebracht sind. An den Verbindungspunkten 13 ist jeweils eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Biegefeder 2, 3, 4, 5 befestigt. Zugleich ist jede Biegefeder 2, 3, 4, 5 an einem Eckpunkt einer quadratischen seismischen Masse 1 angebunden. Die seismische Masse 1 wird von den Biegefedern 2, 3, 4, 5, in einem festgelegten Abstand zur Grundplatte 14 gehalten. Die erste und dritte Biegefeder 2, 4 sind in einer Flucht angeordnet. Die zweite und vierte Biegefeder 3, 5 sind ebenfalls in einer Flucht angeordnet. Die erste und zweite Biegefeder 2, 3 verlaufen nebeneinander, wobei sich der Abstand zwischen der ersten und zweiten Biegefeder 2, 3 in Richtung auf die seismische Masse 1 verkleinert. Die dritte und vierte Biegefeder 4, 5 verlaufen ebenfalls nebeneinander, wobei sich der Abstand zwischen der dritten und vierten Biegefeder 4, 5 in Richtung auf die seismische Masse ebenfalls verkleinert. Somit ist die seismische Masse 1 von den Biegefedern 2, 3, 4, 5 unabhängig von intrinsischen Schichtspannungen an einer vorgegebenen Position ausgerichtet.

Zwischen der ersten und zweiten Biegefeder 2, 3 ist eine erste Oszillatorschaltung 6 angeordnet. Die erste Oszillatorschaltung 6 ist über eine erste Frequenzleitung 9 mit einem ersten Frequenzabnehmer 7 verbunden. Zugleich ist von der ersten Oszillatorschaltung 6 eine erste Antriebsleitung 10 zu einem ersten elektrostatischen Antrieb 8 geführt. Weiterhin führt eine erste Masseleitung 11 von der ersten Oszillatorschaltung 6 zu einer ersten Kammstruktur 27 und einer zweiten Kammstruktur 26, die auf der ersten Biegefeder 2 angeordnet sind. Die erste Kammstruktur 27 greift in die Kammstruktur des elektrostatischen Antriebs 8 ein. Die zweite Kammstruktur 26 greift in die Kammstruktur des ersten Frequenzabnehmers 7 ein. Die erste Oszillatorschaltung 6 weist eine erste Ausgangsleitung 12 auf, die zu einer Auswerteschaltung 21 geführt ist.

Zwischen der dritten Biegefeder 4 und der vierten Biegefeder 5 ist eine zweite Oszillatorschaltung 18 auf der Grundplatte 14 angeordnet. Die zweite Oszillatorschaltung 18 ist über eine zweite Frequenzleitung 19 mit einem zweiten Frequenzabnehmer 24 verbunden. Weiterhin ist die zweite Oszillatorschaltung 18 über eine zweite Antriebsleitung 17 mit einem zweiten elektrostatischen Antrieb 15 verbunden. Zusätzlich ist eine zweite Masseleitung 16 von der zweiten Oszillatorschaltung 18 zu einer dritten Kammstruktur 31 und einer vierten Kammstruktur 32 geführt. Die dritte Kammstruktur 31 greift in die Kammstruktur des zweiten Frequenzabnehmers 24 ein. Die vierte Kammstruktur 32 greift in die Kammstruktur des zweiten elektrostatischen Antriebs 15 ein. Die zweite Oszillatorschaltung 18 weist eine zweite Ausgangsleitung 20 auf, die zu der Auswerteschaltung 21 geführt ist.

Die Anordnung nach Fig. 3 funktioniert wie folgt: Mit Hilfe der ersten Oszillatorschaltung 6 wird die erste Biegefeder 2 zu einer resonanten Biegeschwingung angeregt. Mit Hilfe der zweiten Oszillatorschaltung 18 wird die vierte Biegefeder 5 ebenfalls zu einer resonanten Biegeschwingung angeregt. Wirkt nun eine Beschleunigung auf die seismische Masse 1 und lenkt diese z. B. nach links aus, so erfährt die erste Biegefeder 2 eine Druckspannung und die vierte Biegefeder 5 eine Zugspannung. Entsprechend ändert sich die Biegeschwingungsfrequenz der ersten Biegefeder 2 und der vierten Biegefeder 5. Die entsprechenden Biegeschwingungsfrequenzen werden über die erste Ausgangsleitung 11 und die zweite Ausgangsleitung 20 an die Auswerteschaltung 21 weitergegeben.

In der Auswerteschaltung 21 wird die Biegeschwingungsfrequenz der vierten Biegefeder 5 von der Biegeschwingungsfrequenz der ersten Biegefeder 2, die gegenphasig schwingen, subtrahiert. Auf diese Weise wird ein Signal ermittelt, das proportional zur einwirkenden Beschleunigung ist und zugleich unabhängig von den resonanten Biegeschwingungsfrequenzen der Biegefedern 2, 5 bei nicht ausgelenkter seismischer Masse 1 ist. Auf diese Weise haben driftabhängige Veränderungen der resonanten Biegeschwingungsfrequenzen der Biegefedern 2, 5 auf die Ermittlung der Beschleunigung keinen Einfluß.

In Fig. 4 ist ein mikromechanischer Beschleunigungssensor dargestellt, der eine quadratische, plattenförmige seismische Masse 1 aufweist, die an den Eckpunkten mit jeweils einem Ende einer ersten, zweiten, dritten und vierten Biegefeder 2, 3, 4, 5 verbunden ist. Die erste Biegefeder 2 und die dritte Biegefeder 4 sind in einer Flucht angeordnet. Die zweite Biegefeder 3 und die vierte Biegefeder 5 sind ebenfalls in einer Flucht angeordnet. Die erste und dritte Biegefeder 2, 4 sind mit einem zweiten Ende mit einer ersten Aufhängestruktur 23 verbunden. Die erste Aufhängestruktur 23 ist wiederum über einen Anschlußpunkt 13 mit der Grundplatte 14 verbunden. Die zweite und vierte Biegefeder 3, 5 sind ebenfalls mit jeweils einem zweiten Ende mit einer zweiten Aufhängestruktur 22 verbunden. Die zweite Aufhängestruktur 22 ist über einen Verbindungspunkt 13 mit der Grundplatte 14 verbunden.

Auf diese Weise ist es möglich, daß sich intrinsische Schichtspannungen über eine Verformung - Dehnung oder Stauchung - der ersten bzw. zweiten Aufhängestruktur 23, 22 ausgleichen und zusätzlich bei einer Auslenkung der seismischen Masse 1 jeweils eine Biegefeder vorhanden ist, die eine Zugspannung erfährt und eine zweite Biegefeder vorhanden ist, die eine Druckspannung erfährt.

Auf diese Weise wird ein Ausgangssignal gewonnen, das unabhängig von den resonanten Biegeschwingungsfrequenzen der Biegefedern 2, 5 ist und trotzdem intrinsische Schichtspannungen ausgeglichen sind. Dadurch wird die Drift des mikromechanischen Beschleunigungssensors verringert.

An der ersten Biegefeder 2 ist entsprechend Fig. 3 eine erste Oszillatorschaltung 6 mit einem ersten elektrostatischen Antrieb 8 und einem ersten Frequenzabnehmer 7 angeordnet. Die erste Oszillatorschaltung 6 ist über eine erste Ausgangsleitung 12 mit einer ersten Ausgangsschaltung 21 verbunden. An der vierten Biegefeder 5 ist entsprechend Fig. 3 eine zweite Oszillatorschaltung 18 mit einem zweiten Frequenzabnehmer 24 und einem zweiten elektrostatischen Antrieb 15 angeordnet. Die zweite Oszillatorschaltung 18 ist über eine zweite Ausgangsleitung 20 mit der Auswerteschaltung 21 verbunden.

Die erste Aufhängestruktur 23 und die zweite Aufhängestruktur 22 weisen eine U-Form auf, wobei die zwei Schenkel 28, 29 kurz sind im Vergleich zur Breite der U- Form. Im Bereich der Verbindungspunkte 13, die auf der Höhe der seismischen Masse 1 angeordnet sind, weist jede Aufhängestruktur 22, 23 eine rechteckförmige Ausbildung 30 in Richtung auf die seismische Masse 1 auf. Die Ausbildung 30 ist ungefähr so breit wie die Seite der seismischen Masse 1, die der Ausbildung 30 gegenüberliegt. Der Abstand zwischen den Ausbildungen 30 und der seismischen Masse 1 ist so gewählt, daß eine Auslenkung der seismischen Masse 1 auf einen maximalen Wert beschränkt ist, so daß eine Beschädigung der Biegefedern 2, 3, 4, 5 verhindert wird.

Die Anordnung nach Fig. 4 funktioniert wie folgt: Die erste und vierte Biegefeder 2, 5 werden in resonante Biegeschwingungen versetzt. Bei Einwirkung einer Beschleunigung wird die seismische Masse 1 in Fig. 4 entweder nach links oder rechts ausgelenkt. Wird die seismische Masse 1 nach links ausgelenkt, so erfährt die erste Biegefeder 2 eine Druckspannung und die vierte Biegefeder 5 eine Zugspannung. Entsprechend ändern sich die Biegefederschwingungsfrequenzen der ersten Biegefeder 2 und der vierten Biegefeder 5. Wird die seismische Masse nach rechts ausgelenkt, so erfährt die erste Biegefeder 2 eine Zugspannung und die vierte Biegefeder 5 eine Druckspannung. Entsprechend werden die Biegefederschwingungsfrequenzen der ersten und vierten Biegefeder 2, 5 verändert.

Die veränderten Biegefederschwingungsfrequenzen werden von der ersten Oszillatorschaltung 6 und der zweiten Oszillatorschaltung 18 an die Auswerteschaltung 21 weitergegeben. Bei der Auswerteschaltung 21 werden die Biegefederschwingungsfrequenzen voneinander subtrahiert und so ein Ausgangssignal erhalten, das unabhängig von den resonanten Biegeschwingungsfrequenzen der ersten bzw. vierten Biegefeder 2, 5 ist. Somit ist das Ausgangssignal unabhängig von einer Drift der resonanten Biegeschwingungsfrequenzen. Die besondere Ausbildung 30 der ersten und zweiten Aufhängestruktur 23, 22 begrenzt die maximale Auslenkung der seismischen Masse 1, wodurch eventuelle Beschädigungen durch zu große Auslenkungen verhindert werden.

Die in den Figuren beschriebene Anzahl der Biegefedern ist nicht notwendigerweise vorgeschrieben, stellt jedoch eine optimale Ausbildung dar. Es ist auch möglich weniger oder mehr Biegefedern anzuordnen. Anstelle der beschriebenen Anordnung können auch unterschiedliche Kombinationen von Biegefedern 2, 3, 4, 5 zu resonanter Biegeschwingung angeregt werden.

Der beschriebene mikromechanische Beschleunigungssensor bietet aufgrund seines quasidigitalen Ausgangssignales eine hohe Empfindlichkeit, eine hohe Auflösung und eine hohe Genauigkeit. Zusätzlich kann das quasidigitale Ausgangssignal störsicher übertragen werden.

Im Folgenden wird anhand eines Beispieles die relative Frequenzänderung in Abhängigkeit von der Beschleunigung berechnet. Für die Biegesteifigkeit des aus der seismischen Masse 1 und den vier Biegefedern 2, 3, 4, 5 gebildeten Systems gilt folgende Beziehung:

wobei mit K die Biegesteifigkeit, mit E das Elastizitätsmodul von Silicium, mit 1 die Länge einer Biegefeder, mit b die Breite einer Biegefeder und mit d die Höhe einer Biegefeder und mit a der Winkel bezeichnet ist, den eine Biegefeder 2, 3, 4, 5 in bezug auf die Verbindungsgerade 25 aufweist.

Für die die Sensordynamik bestimmende Grundresonanz F des Federmassesystems gilt die Beziehung:

wobei M die Masse, ρ die Dichte von Silicium, s₁ die Länge und s₂ die Breite der seismischen Masse 1 darstellen.

Für die Grundresonanz f der Schwingung der seismischen Masse 1 in der Ebene gilt:

Für die relative Frequenzänderung als Funktion der in einer Biegefeder 2, 3, 4, 5 bewirkten Zugspannung σ gilt in erster Ordnung:

wobei Δf die relative Frequenzänderung, f die resonante Biegefederschwingungsfrequenz und σ die Zugspannung darstellen.

Unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses von Beschleunigungskraft in Zug- oder Druckkraft in den Biegefedern 2, 3, 4, 5 gilt für die relative Frequenzänderung eines in der Ebene schwingenden Biegebalkenresonators als Funktion der einwirkenden Beschleunigung a:

Eine optimale Empfindlichkeit liegt vor, wenn sin a = b/l gilt, da dies zumeist auf sehr kleine Winkel a führt, andererseits die Empfindlichkeit für größere Werte von a nur langsam abnimmt, wird zweckmäßigerweise das Verhältnis zwischen Länge und Breite der Biegefedern so gewählt, daß die folgende Ungleichung:

zutrifft. Z. B. erhält man für eine Dimensionierung von s₁ = s₂ = 1 = 300 µm, b = 2 µm, d = 12 µm und a = 0, 5° für die Grundresonanz des Feder-/Massesystems einen Wert von F = 7,7 kHz, für die Grundresonanz eines oder mehrerer Biegefedern 2, 3, 4, 5 einen Wert von f = 196 kHz, und für die Sensorempfindlichkeit, d. h. für die relative Frequenzänderung Δf/f einen Wert von 2% bei einer Beschleunigung von a = 50 g. Die beispielhaft angegebene Dimensionierung wird technologisch mühelos beherrscht, wobei jedoch auch abweichende Dimensionierungen möglich sind. Durch ein hohes Aspektverhältnis der Biegefedern 2, 3, 4, 5, d. h. eine große Höhe und eine kleine Breite, wird eine geringe Querempfindlichkeit gegenüber Beschleunigungen außerhalb der festgelegten Ebene gewährleistet.

Für die Güte des in Fig. 4 dargestellten mikromechanischen Beschleunigungssensors gilt näherungsweise folgende Beziehung:

wobei Q die Güte, K die Biegefestigkeit, M die Masse, t den Abstand zwischen der seismischen Masse 1 und der ersten bzw. zweiten Aufhängestruktur 23, 22 und µ die Viskosität der bedämpfenden Luft darstellt. Bei den gewählten Dimensionen und einer Spaltbreite von beispielsweise t ist 2 µm ergibt sich aus der Formel (7) für die Güte Q der Schwingung = 0,7, was eine ideale Bedämpfung der seismischen Masse bedeutet.

Claims (8)

1. Mikromechanischer Beschleunigungssensor, der eine seismische Masse (1) aufweist, an der mindestens eine erste und eine zweite Biegefeder (2, 3) mit jeweils einem Ende an gegenüberliegenden Seiten der seismischen Masse (1) befestigt sind und die erste und die zweite Biegefeder (2, 3) mit jeweils einem zweiten Ende mit einer Grundplatte (14) verbunden sind, wodurch die erste und zweite Biegefeder (2, 3) die seismische Masse (1) in einer Ruhelage halten, wobei die seismische Masse (1) durch eine einwirkende Beschleunigung aus der Ruhelage auslenkbar ist, wobei Mittel zur Anregung mindestens der ersten Biegefeder (2) zu resonanter Biegeschwingung und Auswertemittel (21) zum Auswerten der resonanten Biegeschwingungsfrequenz angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegefedern (2, 3) in einem flachen Winkel zueinander ausgerichtet sind, und daß die Auswertemittel (21) aus der Änderung der resonanten Biegeschwingungsfrequenz der ersten Biegefeder (2) die Richtung und die Größe der einwirkenden Beschleunigung ermitteln.

2. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Biegefeder (4) mit einem Ende an der Seite der seismischen Masse (1) angebracht ist, an der die erste Biegefeder (2) angeordnet ist, daß die dritte Biegefeder (4) parallel zur ersten Biegefeder (2) angeordnet ist und mit dem zweiten Ende mit der Grundplatte (14) verbunden ist, daß eine vierte Biegefeder (5) mit einem Ende an der Seite der seismischen Masse (1) angebracht ist, an der die zweite Biegefeder (3) angebracht ist, daß die vierte Biegefeder (4) mit dem zweiten Ende mit der Grundplatte (14) verbunden ist und parallel zur zweiten Biegefeder (3) ausgerichtet ist.

3. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Biegefeder (4) mit einem Ende an der Seite der seismischen Masse (1) angebracht ist, an der die erste Biegefeder (2) angeordnet ist, daß die dritte Biegefeder (4) mit dem zweiten Ende mit der Grundplatte (14) verbunden ist, daß eine vierte Biegefeder (5) mit einem Ende an der Seite der seismischen Masse (1) angebracht ist, an der die zweite Biegefeder (3) angebracht ist, daß die vierte Biegefeder (4) mit dem zweiten Ende mit der Grundplatte (14) verbunden ist, daß die erste und die dritte Biegefeder (2, 4) in Richtung auf die seismische Masse (1) zusammenlaufen, und daß die zweite und die vierte Biegefeder (3, 5) in Richtung auf die seismische Masse (1) zusammenlaufen.

4. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Biegefeder (5) Anregungsmittel (15) zu resonanter Biegeschwingung aufweist, daß Auswertemittel (21) angeordnet sind, die aus der Änderung der resonanten Biegeschwingungsfrequenz der vierten Biegefeder (5) die Richtung und die Größe der einwirkenden Beschleunigung ermitteln.

5. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertemittel (21), insbesondere durch eine Subtraktion der Biegeschwingungsfrequenzen, ein Signal ermitteln, das unabhängig von den Biegeschwingungsfrequenzen der ersten und vierten Biegefeder (2, 5) ist und eine der einwirkenden Beschleunigung proportionale Größe darstellt.

6. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die vierte Biegefeder (2, 5) gegenphasig schwingen.

7. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Biegefedern (2, 3; 4, 5), die annähernd in einer Flucht liegen mit jeweils einer Aufhängestruktur (23, 22) verbunden sind, daß die Aufhängestrukturen (23, 22) punktuell mit der Grundplatte (14) verbunden sind, daß die Aufhängestrukturen (23, 22) eine breite U-Form mit kurzen Schenkeln (28, 29) aufweisen, und daß die Enden der Biegefedern an den kurzen Schenkeln (28, 29) befestigt sind.

8. Mikromechanischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängestrukturen (23, 22) im Bereich der seismischen Masse (1) eine Auswölbung in Richtung auf die seismische Masse (1) aufweisen, die in einem festgelegten Abstand zur seismischen Masse angeordnet ist, so daß die Auslenkungen der seismischen Masse (1) auf eine vorgegebene maximale Auslenkung beschränkt sind.