DE69003339T2 - Beschleunigungsmesser mit koplanaren symmetrischen kraftübertragern. - Google Patents
Beschleunigungsmesser mit koplanaren symmetrischen kraftübertragern.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Beschleunigungsmesser und im besonderen einen Beschleunigungsmesser, in dem ein Kraftumwandlerpaar in einer Gegentaktanordnung angeordnet ist.
- Schwingungsstrahl-Kraftumwandler werden oft als Kraft-Frequenz-Konverter in Beschleunigungsmessern und anderen Instrumenten verwendet (vergleiche z.B. WO-A-88/00350; WO-A-88/00352). In einer bekannten Anordnung werden die Umwandler in Gegentaktpaaren verwendet, bei denen eine vorgegebene Beschleunigung eine Druckkraft auf den einen Umwandler und eine Zugkraft auf den anderen Umwandler erzeugt. Diese Betriebsweise stellt ein hohes Maß an Kompensation für viele Gleichtaktfehler zur Verfügung, d.h. Fehler, die die Frequenzen der Umwandler um den gleichen Betrag in die gleiche Richtung verschieben, da die Verschiebungen die normalerweise zur Verarbeitung der Umwandlerausgangssignale verwendeten Algorithmen auslöschen. Derartige Fehler sind z.B. Schwingungsgleichrichtungs-Fehler, durch Temperaturänderung hervorgerufene Fehler, die meisten Abnützungserscheinungen und durch eine Drift in der Taktgeberfrequenz hervorgerufene Meßfehler. Zur Optimierung der Leistung eines Beschleunigungsmessers diesen Typs ist es wichtig, daß die Kraftumwandler fast identische Gleichtakt-Ansprechverhalten haben.
- In den letzten Jahren wurden Verfahren entwickelt zur Herstellung von Beschleunigungsmessern aus Siliziumkristallen unter Verwendung von Mikrobearbeitungsverfahren, die ähnlich denen zur Herstellung integrierter Schaltungen verwendeten sind. Bei einem unter Verwendung von Mikrobearbeitungsverfahren aus Silizium herzustellenden Beschleunigungsmesser wäre die einfachste Art, einen Gegentakt-Beschleunigungsmesser herzustellen, einen Kraftumwandler aus der oberen Fläche des Silizium- Wafers und den anderen Umwandler aus der unteren Fläche des Wafers zu bilden, wobei die Drehachse der Versuchsmasse irgendwo zwischen den Umwandlern positioniert ist. In einer solchen Anordnung wird die Drehung der Versuchsmasse um die Drehachse einen Umwandler einem Druck und den anderen Umwandler einem Zug aussetzen. Das Problem bei diesem Verfahren ist, daß die beiden Umwandler aus verschiedenen physikalischen Schichten des Kristalls gebildet sind. Die beiden Umwandler werden daher im allgemeinen kein gut aufeinander abgestimmtes Gleichtaktverhalten haben.
- Die oben beschriebenen Probleme sind typisch für alle Umwandler außer Schwingungsstrahl-Umwandler, einschließlich akustischer Oberflächenwellen-Umwandler, metallischer Dehnungsmesser und piezoresistiver und piezoelektrischer Dehnungsmesser. In manchen Fällen weisen diese anderen Umwandler zusätzliche Gleichtaktprobleme auf, wie z.B. pyroelektrische Auswirkungen in piezoelektrischen Dehnungsmessern.
- Der Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung ist Eigentümer der am 7. September 1990 als WO 90/10207 veröffentlichten internationalen Anmeldung. Sie offenbart einen aus einem einzigen Kristall gebildeten Gegentakt-Kraftumwandler, der zwischen einer Beschleunigungsmesser-Versuchsmasse und deren Halterung befestigt ist. Der Umwandler ist getrennt von der Versuchsmasse gebildet, was einen präzisen Einbau erfordert und zu sich aus der Differenzausdehnung zwischen den beiden Bauteilen ergebenden Fehlern führt.
- Die als GB 2162314A veröffentlichte englische Patentanmeldung offenbart ein aus einem Silizium-Wafer gebildeten unitären Beschleunigungsmesser, der einen einzigen Kraftumwandler zwischen der Versuchsmasse und deren Halterung aufweist. Der veröffentlichte Beschleunigungsmesser bietet keine Gleichtakt-Fehlerunterdrückung.
- Ein Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Halterung; eine Versuchsmasse; eine Biegeeinrichtung, die die Versuchsmasse relativ zur Halterung um eine Drehachse (HA) in Abhängigkeit von einer Beschleunigung entlang einer sensitiven Achse (SA) drehbar hält; sowie erste und zweite Schwingungsstrahl-Kraftumwandler. Jeder Umwandler hat ein erstes, mit der Versuchsmasse verbundenes Ende, ein zweites, mit der Halterung verbundenes Ende und eine zwischen beiden sich erstreckende Längsachse, wobei die Kraftumwandler in einer Gegentakt-Anordnung verbunden sind, bei der bei einer vorgegebenen Beschleunigung entlang der sensitiven Achse (SA) ein Kraftumwandler einer Druckkraft entlang seiner Längsachse und der andere Kraftumwandler einer Zugkraft entlang seiner Längsachse unterliegt.
- Der Beschleunigungsmesser ist dadurch gekennzeichnet, daß die Versuchsmasse, die Biegeeinrichtung, die Halterung und die Kraftumwandler alle aus einem einzigen Kristall-Wafer gebildet sind. Die ersten und zweiten Kraftumwandler sind aus einer einzigen Oberflächenschicht des Wafers hergestellt, wobei ihre Längsachsen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die ungefähr rechtwinklig zur sensitiven Achse (SA) liegt, und wobei die Drehachse (HA) senkrecht zur sensitiven Achse (SA) und parallel zur, jedoch beabstandet von der, gemeinsamen Ebene liegt.
- Die vorliegende Erfindung stellt einen Gegentakt-Beschleunigungsmesser zur Verfügung, bei dem beide Kraftumwandler in einer gemeinsamen Ebene liegen. Wenn daher die vorliegende Erfindung in einem mikrobearbeiteten Silizium-Gerät umgesetzt wird, können beide Kraftumwandler aus einer einzigen Schicht hergestellt werden, wobei ein Umwandlerpaar mit genau angepaßtem Gleichtakt-Ansprechverhalten entsteht.
- Figur 1 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines ersten bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels des Beschleunigungsmessers der vorliegenden Erfindung.
- Figur 2 ist ein Schnittbild von Figur 1 entlang der Linie 2-2.
- Figur 3 ist eine schematischen perspektivische Ansicht eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
- Figur 4 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- Figuren 1 und 2 zeigen ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Beschleunigungsmessers der vorliegenden Erfindung. Der Beschleunigungsmesser 10 ist vorzugsweise aus einem einzigen Silizium-Wafer 12 gebildet, wobei der Wafer eine obere Fläche 14 und eine untere Fläche 16 aufweist. Der Wafer wird geätzt und bildet so eine durch ein Biegungspaar 22 und 24 an einer Halterung 20 befestigte Versuchsmasse 18, wobei die Biegungen wie unten beschrieben in der Schicht 26 an der unteren Fläche 16 gebildet sind. Die Biegungen ermöglichen es der Versuchsmasse, sich relativ zur Halterung um eine Drehachse HA, die durch die Mittelpunkte der Biegungen geht und in der Schicht 26 liegt, zu drehen. Der Beschleunigungsmesser hat daher eine pendelartige Achse PA, die senkrecht zur Drehachse liegt und durch den Massemittelpunkt 28 der Versuchsmasse 20 geht. Der Beschleunigungsmesser mißt die Beschleunigung entlang einer sensitiven Achse SA, die senkrecht zur Drehachse und pendelartigen Achse liegt.
- Der in FIGUREN 1 und 2 gezeigte Beschleunigungsmesser weist zwischen die Versuchsmasse und die Halterung geschaltete Kraftumwandler 30 und 32 auf. Beide Kraftumwandler sind in der Schicht 34 an der oberen Fläche 14 des Wafers 12 gebildet. Die Kraftumwandler sind als ein Typus des doppelendigen Stimmgabel-Schwingungsstrahl-Kraftumwandlers dargestellt, in dem ein Strahlenpaar in der Ebene der Strahlen und um 180º phasenverschoben zum Oszillieren gebracht wird. Bei jedem Umwandler liegen die Strahlen parallel zu einer Umwandler-Längsachse (LA), die die sensitive Richtung des Umwandlers definiert. Bei jedem Umwandler erhöht eine Zugkraft entlang seiner Längsachse die Resonanzfrequenz, während eine Druckkraft entlang seiner Längsachse die Resonanzfrequenz verringert.
- Die Kraftumwandler 30 und 32 liegen ungefähr parallel zur pendelartigen Achse PA. Der Umwandler 30 erstreckt sich von seinem Verbindungspunkt mit der Versuchsmasse in einer Richtung entlang der pendelartigen Achse zu seinem Verbindungspunkt mit der Halterung, während der Kraftumwandler 32 sich von seinem Verbindungspunkt mit der Versuchsmasse in der entgegengesetzten Richtung entlang der pendelartigen Achse zu seinem Verbindungspunkt mit der Halterung erstreckt. Diese Anordnung erzeugt einen Gegentakt-Betrieb, bei dem bei einer vorgegebenen Beschleunigungsrichtung entlang der sensitiven Achse SA ein Kraftumwandler einer Zugkraft unterliegt, während der andere Kraftumwandler einer Druckkraft unterliegt. Man kann feststellen, daß die Anordnung von FIGUR 1 keine an der Versuchsmasse wirkenden Drehmomente erzeugt, da jeder Kraftumwandler an der Versuchsmasse eine Kraft in der gleichen Richtung anwendet.
- Der in FIGUREN 1 und 2 gezeigte Beschleunigungsmesser kann unter Verwendung bekannter Silizium-Mikrobearbeitungsverfahren auf verschiedene Arten hergestellt werden. Z.B. könnte der Wafer 12 ein p-leitender Wafer mit entlang 100 Kristallebenen ausgerichteten Oberflächen sein. Eine n-leitende epitaktische Schicht 34 kann man dann an der oberen Fläche 14 wachsen lassen, und eine zweite n-leitende epitaktische Schicht 26 kann man an der unteren Fläche 16 wachsen lassen. Der Wafer kann dann zur Bildung des dargestellten Aufbaus geätzt werden unter Verwendung elektrochemischer Ätz-Verhinderer zum Verhindern eines Ätzens der Kraftumwandler 30 und 32 von der epitaktischen Schicht 34 sowie der Biegungen 22 und 24 von der epitaktischen Schicht 26, während ein Tiefätzen der Silizium-Hauptmasse ausgeführt wird.
- Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in FIGUR 3 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel weist einen Silizium-Wafer 50 auf mit einer oberen Fläche 52 und einer unteren Fläche 54, wobei der Wafer so geätzt ist, daß er eine durch die Biegungen 60 und 62 mit der Halterung 58 verbundene Versuchsmasse 56 bildet. Die Schwingungsstrahl-Kraftumwandler 70 und 72 sind in einer Gegentaktanordnung zwischen die Versuchsmasse und die Halterung geschaltet. Wie im Ausführungsbeispiel der FIGUREN 1 und 2 sind die Kraftumwandler 70 und 72 beide an der oberen Fläche 52 des Wafers 50 gebildet, um eine verbesserte Gleichtakt-Abstimmung zur Verfügung zu stellen.
- In dem in FIGUR 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Halterung 58 einen Arm 74 und einen Ausschnitt-Abschnitt 76 auf, und die Versuchsmasse 56 weist einen Ausschnitt-Abschnitt 78 auf. Die Kraftumwandler 70 und 72 liegen beide entlang einer gemeinsamen Zentralachse des Aufbaus im allgemeinen parallel zur pendelartigen Achse der Versuchsmasse 56. Der Kraftumwandler 70 erstreckt sich über den Ausschnitt-Abschnitt 76, während der Kraftumwandler 72 sich zwischen der Versuchsmasse und dem Arm 74 über einen Teil des Ausschnitt-Abschnitts 78 erstreckt. Daher erstrecken sich die Kraftumwandler in entgegengesetzten Richtungen entlang der pendelartigen Achse von ihren Verbindungspunkten mit der Versuchsmasse und erzeugen dadurch eine Gegentaktanordnung.
- Die in FIGUR 3 gezeigte Anordnung hat den Vorteil, daß die Kraftumwandler relativ nahe beieinander liegen und dadurch eine Konstruktion des Beschleunigungsmessers für bestimmte Antriebsanordnungen (z.B. Magnet- Antrieb) erleichtern. Im Gegensatz hierzu würde bei einem Magnet-Antriebssystems das Ausführungsbeispiel von FIGUR 1 die Erzeugung zweier getrennter Magnetfelder oder eines sehr großen Magnetfeldes erfordern. Die enge Nähe der Kraftumwandler im Ausführungsbeispiel von FIGUR 3 kann jedoch manchmal von Nachteil sein, da sie ein Lock-in aufgrund einer mechanischen, akustischen oder elektromagnetischen Kopplung zwischen den Umwandlern erzeugen kann. Ein weiterer Nachteil der Anordnung von FIGUR 3 im Gegensatz zu der Anordnung von FIGUR 1 ist, daß der potentielle Dämpfungsbereich der Versuchsmasse durch den Ausschnitt-Abschnitt 78 ungefähr halbiert wird, woraus eine Verminderung der Quetschfilmdämpfungsfähigkeit des Instrumentes um einen Faktor weit größer als 2 entsteht. Andererseits erzeugt die in FIGUR 1 gezeigte Anordnung einen großen nutzbaren Dämpfungsbereich und verringert ein Lock-in zwischen den Umwandlern aufgrund ihrer grossen Beabstandung. Die Anordnung von FIGUR 1 hat jedoch eine größere Gleichtakt-Sensitivität gegenüber einer quer-axialen Beschleunigung.
- Ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in FIGUR 4 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel weist einen Silizium-Wafer 100 auf mit einer oberen Fläche 102 und einer unteren Fläche 104, die so geätzt sind, daß sie eine über die Biegungen 110 und 112 mit der Halterung 108 verbundene Versuchsmasse 106 bilden. Die Kraftumwandler 120 und 122 erstrecken sich zwischen der Versuchsmasse 106 und der Halterung 108. Die Biegungen 110 und 112 haben die Form von Kreisbogen- Biegungen, so daß sich die Versuchsmasse relativ zur Halterung um eine Drehachse HA dreht, die ungefähr in der Mitte zwischen der oberen Fläche 102 und der unteren Fläche 104 positioniert ist.
- Die Kraftumwandler 120 und 122 sind beide an der oberen Fläche 102 des Wafers 100 geformt. Der Kraftumwandler 120 erstreckt sich direkt zwischen der Halterung 108 und der Versuchsmasse 106 und überspannt dabei die Drehachse HA. Der Kraftumwandler 122 überspanntspannt ebenfalls die Drehachse und ist zwischen einen sich von der Versuchsmasse 106 erstreckenden Arm 130 und einen sich von der Halterung 108 erstreckenden Arm 132 geschaltet. Als Folge hiervon erstrecken sich die Kraftumwandler in entgegengesetzten Richtungen von ihren Verbindungspunkten mit der Halterung zu ihren Verbindungspunkten mit der Versuchsmasse 106, wodurch eine Gegentaktanordnung entsteht. Die Umwandler 120 und 122 sind vorzugsweise zwischen den Biegungen 110 und 112 zentriert.
- Eine solche Anordnung reduziert die Sensitivität gegenüber Drehachsen- Beschleunigungen, da die Umwandler nahe der neutralen Verbindungsachse gebündelt sind. Diese Konstruktion nutzt auch in effizienter Weise den Raum. Der Abschnitt der Versuchsmasse nahe den Biegungen trägt kaum zum Gesamt- Trägheitsmoment der Versuchsmasse oder zur Dämpfung der Versuchsmasse bei. Der sich zwischen den Kraftumwandlern 120 und 122 erstreckende Arm 130 stellt eine akustische Kapselung und elektrische Entkopplung zur Verringerung des Lock-ins zur Verfügung. Die nahe Beabstandung der Umwandler 120 und 122 vereinfacht die Konstruktion im Hinblick auf bestimmte Antriebsmöglichkeiten, wie z.B. Magnet-Antrieb.
- In allen oben beschriebenen Ausführungungsbeispielen können viele Arten von Kraftumwandlern verwendet werden. Bei Schwingungsstrahl-Umwandlern kann eine Vielzahl von Antriebs- und Positionsmeßwertgeber-Verfahren verwendet werden. Verwendbare Verfahren sind z.B. magnetische, elektrostatische, piezoelektrische und piezoresistive Meßwertgeber, optische Meßwertgeber, Widerstands-Wärmeausdehnungs-Antrieb und optischer Wärmeausdehnungs-Antrieb. Bei allen Ausführungsbeispielen ist zur Verringerung von Wärmespannungen an den Umwandlern ein Abstimmen des Wärme- Dehnungskoeffizienten der Umwandler auf den Dehnungskoeffizienten des Materials, aus dem die Versuchsmasse und die Halterung hergestellt wurden, wünschenswert. Dies kann bei dem mikrobearbeiteten Silizium- Gerät durch eine Steuerung der Dotierungskonzentrationen erreicht werden.
Claims (10)
1. Beschleunigungsmesser, der folgendes aufweist:
eine Halterung (20, 58, 108);
eine Versuchsmasse (18, 56, 106);
eine Biegeeinrichtung (22, 24, 60, 62, 110, 112), die die
Versuchsmasse relativ zur Halterung um eine Drehachse (HA) in Abhängigkeit
einer Beschleunigung entlang einer sensitiven Achse (SA) drehbar hält;
und
erste und zweite Schwingungsstrahl-Kraftumwandler (30, 32, 70,
72, 120, 122), von denen jeweils ein erstes Ende mit der Versuchsmasse
(18, 56, 106) verbunden ist, ein zweites Ende mit der Halterung (20,
58, 108) verbunden ist und zwischen denen sich eine Längsachse
erstreckt, wobei die Kraftumwandler (30, 32, 70, 72, 120, 122) in einer
Gegentakt-Anordnung verbunden sind, bei der bei einer vorgegebenen
Beschleunigung entlang der sensitiven Achse (SA) ein Kraftumwandler
einer Druckkraft entlang seiner Längsachse und der andere
Kraftumwandler einer Zugkraft entlang seiner Längsachse unterliegt;
DADURCH GEKENNZEICHNET, DASS die Versuchsmasse (18, 56, 106), die
Biegeeinrichtung (22, 24, 60, 62, 110, 112), die Halterung (20, 58,
108) und die Kraftumwandler (30, 32, 70, 72, 120, 122) aus einem
einzigen Kristall-Wafer (12, 50, 100) gebildet sind;
die ersten und zweiten Kraftumwandler aus einer einzigen
Oberflächenschicht (14, 52, 102) des Wafers hergestellt sind, wobei ihre
Längsachsen in einer gemeinsamen Ebene liegen, die ungefähr
rechtwinklig zur sensitiven Achse (SA) liegt;
und daß die Drehachse (HA) senkrecht zur sensitiven Achse (SA)
und parallel zur, jedoch beabstandet von der gemeinsamen Ebene liegt.
2. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 1, wobei die Längsachsen
der Kraftumwandler (30, 32, 70, 72, 120, 122) zueinander parallel und
ungefähr senkrecht zur Drehachse (HA) und zur sensitiven Achse (SA)
liegen.
3. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 2, wobei die Kraftumwandler
(30, 32, 70, 72, 120, 122) entlang der Drehachse (HA) voneinander
beabstandet sind.
4. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 3, wobei die
Biegeeinrichtungen (60, 62, 110, 112) mindestens zwei Biegungen aufweisen, und
wobei die Kraftumwandler (70, 72, 120, 122) zwischen den Biegungen
positioniert sind.
5. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 4, wobei die Versuchsmasse
(106) einen Versuchsmasse-Arm (130) aufweist, der sich von der
Versuchsmasse zur Halterung (108) hin in einer ersten Richtung erstreckt, die
im allgemeinen parallel zur Längsachse ist, und wobei die Halterung
(108) einen Halterungsarm (132) aufweist, der sich von der Halterung
zur Versuchsmasse (106) hin in einer zweiten Richtung erstreckt, die
der ersten Richtung entgegengesetzt ist, und wobei einer der
Kraftumwandler (122) sich zwischen dem Prüfmasse-Arm (130) und dem
Halterungsarm (132) erstreckt.
6. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 5, wobei der Prüfmasse-Arm
(130) zwischen den Kraftumwandlern (120, 122) positioniert ist.
7. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 2, wobei die Kraftumwandler
(30, 32, 70, 72, 120, 122) auf gegenüberliegenden Seiten der
Versuchsmasse (18, 56, 106) positioniert sind.
8. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 7, wobei die Längsachsen der
Kraftumwandler (70, 72) entlang einer gemeinsamen Linie positioniert
sind.
9. Beschleunigungsmesser gemäß Anspruch 3 oder 7, wobei die
Kraftumwandler (30, 32, 70, 72) voneinander entlang einer Richtung
beabstandet sind, die senkrecht zur Drehachse (HA) liegt.
10. Beschleunigungsmesser gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei jeder Kraftumwandler (30, 32, 70, 72, 120, 122) ein
doppelendiger Stimmgabel-Schwingungsstrahl-Kraftumwandler ist.
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