DE69429731T2 - Doppelpendel beschleunigungsmesser - Google Patents

Doppelpendel beschleunigungsmesser

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Description

    ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK 1. Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser mit Zug-/Schubeinwirkung zum Messen von Beschleunigungen längs einer sensorischen Achse und insbesondere einen mikromechanischen Schwingstabbeschleunigungsmesser, der mit Doppelpendeln in einer Ebene ausgebildet ist und der Fehler aufgrund Querachsenbeschleunigung ohne die Notwendigkeit einer speziellen Befestigungsstruktur kompensiert.
    • 2. Bisheriger Stand der Technik
  • Schwingstabbeschleunigungsmesser sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Ein Beispiel eines derartigen Beschleunigungsmessers ist in dem US-Patent Nr. 5.005.413 offenbart. Ein derartiger Beschleunigungsmesser ist mit einem Paar von Schwingstabwandlern in einer Ebene ausgebildet und in einer Zug-/Schubeinwirkungs-Anordnung konfiguriert, so dass die Beschleunigungen längs der sensorischen Achse eine Druckkraft auf einem der Schwingstabwandler und eine Zugkraft auf dem anderen bewirken werden. Die Zug-/Schubeinwirkungs-Konfiguration sorgt für die Kompensation verschiedener Gleichtaktfehler, wie beispielsweise Schwingungsgleichrichtungsfehler und bestimmter durch Temperaturänderung oder Taktfrequenzabweichung induzierter Fehler. Um die Kompensation der Gleichtaktfehler zu optimieren, müssen die Kraftwandler so ausgebildet werden, dass sie ein nahezu identisches Gleichtaktansprechverhalten aufweisen. Es sind verschiedene Konfigurationen bekannt, die die Kraftwandler dazu bringen, ein nahezu identisches Gleichtaktansprechverhalten aufzuweisen.
  • Bestimmte Beschleunigungsmesser, wie beispielsweise der in dem '413 Patent offenbarte Beschleunigungsmesser, werden mikromechanisch aufgebildet, einer Technik zum Herstellen von Beschleunigungsmessern aus einem Siliziumsubstrat auf eine Weise, die ähnlich zu der Weise ist, auf die integrierte Schaltungen hergestellt werden. Um die Wandler in einem derartigen Beschleunigungsmesser mit einer Zug-/Schubeinwirkungs- Beziehung auszubilden, müssen die Wandler entweder in an gegenüberliegenden Seiten des Siliziumsubstrats angrenzenden Ebenen oder in einer Ebene ausgebildet werden, um die Konfiguration mit Zug-/Schubeinwirkung zu schaffen. Bei beiden Alternativen bestehen jedoch verschiedene bekannte Probleme.
  • Insbesondere sind Beschleunigungsmesser, die mit Schwingstabwandlern in an gegenüberliegenden Seiten des Siliziumsubstrats angrenzenden Ebenen ausgebildet sind, dafür bekannt, Gleichtaktfehler nicht angemessen zu kompensieren. Der Grund hierfür besteht darin, dass die Wandler aus verschiedenen physischen Schichten des Siliziumsubstrats gebildet werden. Durch Ausbilden der Schwingstabwandler in verschiedenen physischen Schichten des Siliziumsubstrats weisen die Wandler bekanntermaßen keine gut zueinander passenden Gleichtaktansprechverhaltensweisen auf.
  • In dem Versuch dieses Problem zu lösen, wird der in dem '413 Patent offenbarte Beschleunigungsmesser mit beiden Schwingstabwandlern in einer an eine Oberfläche des Siliziumsubstrats angrenzenden Ebene ausgebildet. Durch Ausbilden beider Schwingstabwandler in einer an eine Oberfläche des Siliziumsubstrats angrenzenden Ebene werden die Gleichtaktansprechweisen derartiger Wandler einander vergleichsweise gut entsprechen. Eine derartige Konfiguration schafft jedoch andere Probleme. Eine derartige Konfiguration führt beispielsweise zu einem kleinen Winkelversatz oder einem Kippen der sensorischen Achse SA (z. B. 6º), das Fehler im Beschleunigungsmesserausgangssignal aufgrund der Querachsenbeschleunigung bewirkt. Um dieses Kippen der sensorischen Achse SA zu kompensieren, ist es bekannt, derartige Beschleunigungsmesser mit einer speziellen Befestigungsstruktur zu befestigen, die das Kippen der sensorischen Achse kompensiert.
  • Obschon das Problem, das das Kippen der sensorischen Achse SA betrifft, durch Verwendung einer speziellen Befestigungsstruktur korrigiert werden kann, besteht bei einer derartigen Konfiguration ein weiteres Problem, das durch die Verwendung einer speziellen Befestigungsstruktur nicht gelöst wird. Dieses Problem betrifft die Drehung der sensorischen Achse SA in Abhängigkeit von der G-Eingangsgröße. Dieses Problem wird am besten unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 verstanden, die den in dem '413 Patent offenbarten Beschleunigungsmesser darstellen. Der Beschleunigungsmesser 20 ist insbesondere mit Doppel- Schwingstabwandlern 22 und 24 in einer einzelnen, an die Fläche 26 der Oberseite des Siliziumsubstrats 28 angrenzenden Ebene ausgebildet. Eine Probenmasse 30, die längs der Breite des Siliziumsubstrats 28 ausgebildet ist, wird in einer an die Bodenseite 32 des Siliziumsubstrats 28 angrenzenden Ebene durch ein Paar von Biegefedern 34 und 36 gehaltert, die eine Gelenkachse HA definieren. Wie am besten in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Pendelachse PA zwischen dem Massenschwerpunkt 38 der Probenmasse 30 und der Gelenkachse HA festgelegt. Der Massenschwerpunkt 38 befindet sich annähernd in der Mitte der Dicke des Siliziumsubstrats 28 und die Pendelachse PA wird nicht parallel zur Ebene des Siliziumsubstrats 28 sein, da die Biegefedern 34 und 36 längs der Bodenfläche 32 ausgebildet sind. Stattdessen wird die Pendelachse PA bezüglich der Ebene des Siliziumsubstrats 28 um einen bestimmten Betrag, beispielsweise um 6º, wie gezeigt angular versetzt oder gekippt sein. Da die sensorische Achse SA per definitionem senkrecht zur Pendelachse PA ist, wird die sensorische Achse SA relativ zur Ebene des Siliziumsubstrats 28 um den gleichen Betrag geneigt sein.
  • Da die Probenmasse 30 sich um die Gelenkachse HA dreht, wird sich der Massenschwerpunkt 38 gleichermaßen drehen. Eine derartige Drehung des Massenschwerpunkts 38 wird eine Drehung der Pendelachse PA in der Ebene der Pendelachse PA bewirken und folglich eine Drehung der sensorischen Achse SA zur Folge haben. Eine derartige Drehung der sensorischen Achse SA wird eine Funktion der G-Eingangsgröße sein. Bei einigen bekannten Beschleunigungsmessern kann die Drehung der sensorischen Achse SA in der Größenordnung von 1 Milliradian bei maximaler G-Eingangsgröße sein, woraus sich vergleichsweise signifikante Fehler des Ausgangssignals des Beschleunigungsmessers ergeben.
    • ZUSAMMENFASSUNG
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, verschiedene Probleme des bisherigen Standes der Technik zu lösen.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mikromechanischen Beschleunigungsmesser mit Zug-/Schubeinwirkung bereitzustellen (z. B. wird ein Wandler als Reaktion auf Beschleunigungen längs der sensorischen Achse SA einer Zugkraft unterworfen, während der andere Wandler einer Druckkraft unterworfen wird).
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mikromechanischen Beschleunigungsmesser mit Zug-/Schubeinwirkung bereitzustellen, der mit Doppel-Schwingstabwandlern ausgebildet ist, die in einer Ebene eines Siliziumsubstrats ausgebildet sind, wodurch Fehler infolge der Querachsenbeschleunigung kompensiert werden.
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mikromechanischen Beschleunigungsmesser mit Zug-/Schubeinwirkung bereitzustellen, der mit Doppel-Schwingstabwandlern in einer Ebene eines Siliziumsubstrats ausgebildet ist, wodurch die Notwendigkeit einer speziellen Befestigungsstruktur umgangen wird.
  • Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen mikromechanischen Beschleunigungsmesser mit Zug-/Schubeinwirkung bereitzustellen, der aus der Drehung der sensorischen Achse SA resultierende Fehler kompensiert.
  • Kurz gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Beschleunigungsmesser mit Zug-/Schubeinwirkung zum Messen von Beschleunigungen längs einer vorbestimmten Achse mit:
  • einem im großen und ganzen ebenen Träger der gegenüberliegende Enden begrenzt,
  • einem ersten Pendel mit einem Massenschwerpunkt und zumindest einer Biegefeder, die das Pendel mit dem Träger drehbar koppelt, wobei die zumindest eine Biegefeder eine erste Gelenkachse, eine erste Pendelachse zwischen der ersten Gelenkachse und dem Massenschwerpunkt mit einem vorbestimmten ersten Winkelversatz relativ zur Ebene des Trägers und eine erste sensorische Achse senkrecht zu der ersten Pendelachse und der ersten Gelenkachse festlegt,
  • einem ersten Kraftwandler zum Erfassen einer an dem ersten Pendel angelegten Beschleunigung,
  • einem zweiten Pendel mit einem Massenschwerpunkt und zumindest einer zweiten Biegefeder, die das Pendel mit dem Träger drehbar koppelt, so dass die zumindest eine erste Biegefeder und die zumindest eine zweite Biegefeder in der gleichen Schicht des ebenen Trägers ausgebildet sind,
  • wobei die zumindest eine zweite Biegefeder eine an dem der ersten Gelenkachse gegenüberliegenden Ende des Trägers angeordnete zweite Gelenkachse, eine zweite Pendelachse zwischen der zweiten Gelenkachse und dem Massenschwerpunkt mit einem vorbestimmten Winkelversatz relativ zur Ebene des Trägers und eine zweite sensorische Achse senkrecht zu der zweiten Pendelachse und der zweiten Gelenkachse festlegt, und
  • einem zweiten Kraftwandler zum Erfassen einer an dem ersten Pendel angelegten Beschleunigung,
  • wobei die ersten und zweiten Kraftwandler beide auf eine zug- beziehungsweise schubbewirkende Weise angekoppelt sind, der eine zwischen einem Ende des Trägers und dem ersten Pendel und der andere zwischen dem einen Ende des Trägers und dem zweiten Pendel, und die Konfiguration der sensorischen Achsen eine Auslöschung der einwirkenden Beschleunigungskomponenten quer zur Achse für alle einwirkenden Beschleunigungen bewirkt und so eine effektive sensorische Achse bereitstellt, die im großen und ganzen senkrecht zur Oberfläche des Siliziumsubstrats liegt.
  • Eine derartige Konfiguration sorgt nicht nur für die Auslöschung der Querbeschleunigung über einen vergleichsweise großen Frequenzbereich, sondern stellt zusätzlich eine effektive sensorische Achse SA bereit, die im großen und ganzen senkrecht zur Oberfläche des Siliziumsubstrats liegt, wodurch die Notwendigkeit einer speziellen Befestigungsstruktur umgangen wird, während das Problem betreffs der Drehung der Eingangsachse umgangen wird. Die Konfiguration ermöglicht es auch, dass das elektrisch leitende Material für die Elektroden auf einer Seite des Substrats aufgebracht wird, wodurch die Herstellung des Beschleunigungsmessers vereinfacht wird.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Dies und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres aus der folgenden Beschreibung und den folgenden beigefügten Zeichnungen offenbar:
  • Fig. 1 ist eine Perspektivansicht eines bekannten mikromechanischen Beschleunigungsmessers mit Zug-/Schubeinwirkung, der in dem US-Patent Nr. 5.005.413 offenbart ist;
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsanansicht des in Fig. 1 dargestellten Beschleunigungsmessers längs der Linie 2- 2 in Fig. 1;
  • Fig. 3 ist eine Perspektivansicht eines mikromechanischen Beschleunigungsmessers mit Zug-/Schubeinwirkung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 3 dargestellten Beschleunigungsmessers längs der Linie 4- 4 in Fig. 3;
  • Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 3 dargestellten Beschleunigungsmessers längs der Linie 5- 5 in Fig. 3;
  • Fig. 6 ist ein Vektordiagramm, das die Auslöschung der Querachsenbeschleunigung für den in Fig. 3 dargestellten Beschleunigungsmesser veranschaulicht;
  • Fig. 7 ist eine alternative Ausführungsform eines mikromechanischen Beschleunigungsmessers mit Zug-/Schubeinwirkung gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 7 dargestellten Beschleunigungsmessers längs der Linie 8- 8 in Fig. 7;
  • Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht des in Fig. 7 dargestellten Beschleunigungsmessers längs der Linie 9- 9 in Fig. 7.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS- FORM
  • Fig. 3 ist eine Perspektivansicht einer Ausführungsform des mikromechanischen Beschleunigungsmessers mit Zug-/Schubeinwirkung gemäß der vorliegenden Erfindung. Der allgemein mit dem Bezugszeichen 50 versehene Beschleunigungsmesser kann aus einem im großen und ganzen ebenen und rechteckigen Siliziumsubstrat 52 geformt werden, das eine obere Oberfläche 54 und eine untere Oberfläche 56 (Fig. 3 und 4) aufweist. Das Siliziumsubstrat 52 wird durch herkömmliche Ätztechniken geätzt, um ein Paar von Probenmassen oder Pendeln 58 beziehungsweise 60 mit Massenschwerpunkten 62 beziehungsweise 64 auszubilden. Die Probenmassen 58 und 60 sind mittels eines Paares von Biegefedern 68 und 70 an einem Teil des Siliziumsubstrats 52 (das einen Träger 66 bildet) angebracht. Das Paar von Biegefedern 68 und 70 ist in einer einzelnen Ebene oder Schicht 72 des Siliziumsubstrats 52 angrenzend an die untere Oberfläche 56 ausgebildet. Das Paar von Biegefedern 68 und 70 ermöglicht es den Probenmassen 58 und 60, sich relativ zum Träger 66 um die Gelenkachsen HA1 und HA2 zu drehen. Da die Probenmassen 58 und 60 auf zueinander gegenüberliegenden durch die Biegefedern 68 und 70 gehalten werden, werden die Gelenkachsen HA1 und HA2 im großen und ganzen parallel aber voneinander beabstandet sein, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.
  • Wie am besten in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, wird für jedes der Pendel 58 und 60 eine Pendelachse definiert. Insbesondere wird die Pendelachse PA1 für das Pendel 58 definiert. Diese Pendelachse PA1 verläuft von der Gelenkachse HA1 durch den Massenschwerpunkt 62 des Pendels 58. Ähnlich verläuft die Pendelachse PA2 von der Gelenkachse HA2 durch den Massenschwerpunkt 64 des Pendels 60. Da die Pendel 58 und 60 auf zueinander gegenüberliegenden Seiten gehaltert werden, werden die Pendelachsen PA1 und PA2 in entgegengesetzte Richtungen verlaufen, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist.
  • Diese Pendelachsen PA1 und PA2 definieren sensorische Achsen SA1 beziehungsweise SA2. Die sensorische Achse SA1 für das Pendel 58 ist senkrecht zur Pendelachse PA1 und zur Gelenkachse HA1. Ähnlich ist die sensorische Achse SA2 für das Pendel 60 senkrecht zur Pendelachse PA2 und zur Gelenkachse HA2. Da die Pendelachsen PA1 und PA2 sich in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, werden sich die sensorischen Achsen SA1 und SA2 ebenso in entgegengesetzte Richtungen erstrecken.
  • Die Konfiguration der sensorischen Achsen SA1 und SA2 bewirkt, dass die Komponenten der Querachsenbeschleunigung sich bei allen G- Eingangsgrößen aufheben, wodurch eine effektive sensorische Achse bereitgestellt wird, die im großen und ganzen senkrecht zur Oberfläche des Siliziumsubstrats 52 ist, wodurch die Notwendigkeit einer speziellen Befestigungsstruktur umgangen wird und auch das Problem betreffs der Drehung der sensorischen Achse gelöst wird. Dies ist vektoriell in Fig. 6 gezeigt. Wie ausführlicher unten erläutert werden wird, sind die Pendel 58 und 60 insbesondere mit Schwingstabkraftwandlern 74 und 76 wie in Fig. 3 gezeigt an dem Träger 66 angebracht. Wenn eine Beschleunigung AIN in einer Richtung im großen und ganzen senkrecht zur Ebene des Siliziumsubstrats 52 wie gezeigt angelegt wird, wird daher der Schwingstabwandler 74 auf Dehnung beansprucht, während der Schwingwandler 75 auf Druck beansprucht wird. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird die Beschleunigung des Pendels 58 durch den Vektor A1 wiedergegeben, der im großen und ganzen parallel zur sensorische Achse SA1 ist. Dieser Vektor A&sub1; umfasst eine Querachsenbeschleunigungskomponente Ac. Diese Querachsenbeschleunigungskomponente wird jedoch infolge der Konfiguration des Beschleunigungsmessers 50 ausgelöscht. Die Beschleunigung AIN führt insbesondere zu einer Beschleunigung A&sub2; des Pendels 60. Da der Schwingstabwandler 74 auf Druck beansprucht ist, während der Schwingstabwandler 76 auf Zug beansprucht ist, ist diese Beschleunigung negativ, -A&sub1;. Diese Beschleunigung -A&sub1; umfasst ebenso eine Querachsenbeschleunigungskomponente -At. Diese Beschleunigungskomponente -At ist jedoch gleich, aber von entgegengesetztem Vorzeichen, woraus sich eine Auslöschung der Querachsenbeschleunigungskomponente A ergibt. Durch Auslöschung der Querachsenbeschleunigungskomponenten der Pendel 58 und 60 wird die resultierende Beschleunigung ASUM allgemein senkrecht zur Ebene des Siliziumsubstrats 52 sein, wodurch eine effektive sensorische Achse SA für den Beschleunigungsmesser 50 bereitgestellt wird, die normalerweise senkrecht zur Ebene des Siliziumsubstrats 52 ist. Da die effektive sensorische Achse SA senkrecht zur Ebene des Siliziumsubstrats 52 ist, wird die Notwendigkeit für eine spezielle Befestigungsstruktur beseitigt. Zusätzlich löst die Konfiguration auch das Problem bezüglich der Drehung der sensorischen Achse, da die Querachsenbeschleunigungskomponenten sich für alle G-Eingangsgrößen auslöschen werden.
  • Die Wandler 74 und 76 sind als Schwingstabwandler ausgebildet, die ein Paar von Stäben umfassen, die um 180º außer Phase in der Ebene der Stäbe zueinander schwingen. Derartige Wandler 74 und 76 sind als Kraft- zu-Frequenz-Wandler bekannt, da eine Änderung der an dem Wandler anliegenden Kraft zu einer Änderung der Resonanzfrequenz des Wandlers führen wird. Insbesondere wird eine Zugkraft, die längs einer zu den Stäben im großen und ganzen parallelen Achse anliegt, eine Erhöhung der Resonanzfrequenz bewirken, während eine Druckkraft die Resonanzfrequenz allgemein erniedrigen wird.
  • Beide Schwingstabwandler 74 und 76 sind in einer einzelnen Schicht 77 des Siliziumsubstrats 52 ausgebildet, so dass sie im großen und ganzen parallel zueinander sowie parallel zu ihren jeweiligen Pendelachsen PA1 und PA2 sind, und sind an einem gemeinsamen Schenkel 82 des Trägers 66 angebracht. Eine derartige Konfiguration sorgt nicht nur für ein praktisch identisches Ansprechen der Wandler 74 und 76, sondern vereinfacht zusätzlich die Konstruktion des Beschleunigungsmessers 50, indem die Ausbildung des Paares von Elektroden 78 und 80 auf einer Seite des Substrats 52 ermöglicht wird.
  • Aufgrund dieser Konfiguration des Paares von Biegefedern 68 und 70, ist der Schwingstabwandler 74 auf einer anderen Seite des Pendels 58 angeordnet als die Gelenkachse HA1, während der Schwingstabwandler 76 auf der gleichen Seite wie die Gelenkachse HA2 für das Pendel 60 angeordnet ist. Durch dieses Konfigurieren der Schwingstabwandler 74 und 76 relativ zu den Gelenkachsen HA1 und HA2, werden die Wandler 74 und 76 sich in einer Zug-/Schubeinwirkungs-Beziehung befinden. Insbesondere wird wie oben erläutert eine Beschleunigung normal zu der Ebene des Siliziumsubstrats 52 in einer Richtung aus der die Fig. 3 betreffenden Seite heraus bewirken, dass der Schwingstabwandler 76 auf Zug beansprucht wird und der Schwingstabwandler 74 auf Druck beansprucht wird. Auf ähnliche Weise wird eine Beschleunigung, die im großen und ganzen normal zu der Ebene des Siliziumsubstrats 52 in einer Richtung in die die Fig. 3 betreffenden Seite hinein anliegt, bewirken, dass der Schwingstabwandler 76 auf Druck beansprucht wird und der Schwingstabwandler 74 auf Zug beansprucht wird, wodurch eine Zug-/Schubeinwirkungs-Beziehung zwischen den zwei Wandlern 74 und 76 ausgebildet wird.
  • Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 7 und 9 gezeigt. Dieser allgemein mit dem Bezugszeichen 100 versehene Beschleunigungsmesser ist dem Beschleunigungsmesser 50 ähnlich und beinhaltet ein Paar von Probenmassen oder Pendeln 102 und 104, die an einem Siliziumsubstrat 106 mittels zweier Paare von Biegefedern 108 beziehungsweise 110 angebracht sind. Diese Paare von Biegefeder 108 und 110 sind in einer Schicht 112 des Siliziumsubstrats 106 angrenzend an eine Bodenfläche 134 des Substrats 106 ausgebildet, wodurch Gelenkachsen HA1 beziehungsweise HA2 definiert werden. Der Beschleunigungsmesser 100 beinhaltet ein Paar von Schwingstabwandlern 114 und 116, die zwischen einem Träger 118 und den Pendeln 102 und 104 angeschlossen sind.
  • Um eine Torsion um die jeweiligen Pendelachsen PA1 und PA2 aufgrund der exzentrischen Position der Stäbe der Schwingstabwandler 114 und 116 zu verhindern, ist ein Paar von Streben 120 und 122 vorgesehen. Die Streben 120 und 122 sind in einer Schicht 123 angrenzend an die Fläche 124 der Oberseite des Siliziumsubstrats 106 ausgebildet. Diese Streben 120 und 122 sind so ausgebildet, dass sie auf einer Seite der Pendel 102 und 104 gegenüber den Gelenkachsen HA1 beziehungsweise HA2 ausgebildet sind. Um die Streben 120 und 122 unterzubringen und auch ein relativ gut angepasstes Ansprechen auf Gleichtaktfehler für die Wandler 114 und 116 vorzusehen, sind die Wandler 114 und 116 zwischen dem Träger 118 und den Seiten 126 und 128 der Pendel 102 beziehungsweise 104 angebracht, wie in Fig. 7 gezeigt ist, und angrenzend an die Gelenkachsen HA1 und HA2, im Unterschied zu dem Beschleunigungsmesser 50, bei dem die Wandler 74 und 76 verbunden sind, um die Gelenkachse HA2 zu überspannen. Diese Konfiguration bringt die Schwingstabwandler 114 und 116 in eine Zug-/Schubeinwirkungs-Beziehung ähnlich zu den Wandlern 74 und 76.
  • Die in den Fig. 3 und 7 gezeigten Beschleunigungsmesser 50 und 100 können auf eine Vielzahl von Weisen unter Verwendung herkömmlicher Silizium-Mikromechaniktechniken hergestellt werden. Beispielsweise können die Siliziumsubstrate 52 und 106 aus einem im großen und ganzen ebenen und rechtwinkligen Substrat aus einem P- Typ Material mit längs verschiedener Kistallflächen orientierten Oberflächen gebildet werden. Eine epitaktische N-Typ Schicht 130 kann auf den oberen Oberflächen 54 und 124 aufgewachsen werden. Eine zweite epitaktische N-Typ Schicht 134 kann auf den unteren Oberflächen 56 und 122 aufgewachsen werden. Die Substrate 52 und 106 werden dann geätzt, um die in den Fig. 3 und 7 dargestellten Strukturen auszubilden, wobei elektrochemische Ätzstops verwendet werden, um ein Ätzen der Kraftwandler 74, 76 und 114, 116 aus der epitaktischen Schicht 130 und der Biegefedern 68, 70 und 108, 110 aus der epitaktischen Schicht 134 zu verhindern, während eine Tiefenätzung des Siliziumvolumens durchgeführt wird.
  • Obschon die Beschleunigungsmesser 50 und 100 mit der Verwendung von Schwingstabkraftwandlern beschrieben wurden, sind die Prinzipien der Erfindung auch auf Beschleunigungsmesser anwendbar, die andere Arten von Wandlern verwenden, wie piezoresistive Dehnmessstreifen, piezoelektrische Wandler und Wandler mit akustischen Oberflächenwellen. Bei allen Ausführungsformen ist es wünschenswert, den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Wandler an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials anzupassen, aus dem die Probenmassen und Träger hergestellt sind, um thermische Spannungen auf den Wandlern zu minimieren. Dies wird bei mikromechanischen Vorrichtungen durch Steuerung der Dotierungskonzentrationen bewerkstelligt.

Claims (7)

1. Beschleunigungsmesser mit Zug-/Schubeinwirkung zum Messen von Beschleunigungen längs einer vorbestimmten Achse mit:
einem im großen und ganzen ebenen Träger (66) der gegenüberliegende Enden festlegt,
einem ersten Pendel (58) mit einem Massenschwerpunkt (62) und zumindest einer Biegefeder (68), die das Pendel (58) mit dem Träger (66) drehbar koppelt, wobei die zumindest eine Biegefeder (68) eine erste Gelenkachse (HA&sub1;), eine erste Pendelachse (PA&sub1;) zwischen der ersten Gelenkachse (HA&sub1;) und dem Massenschwerpunkt (62) mit einem vorbestimmten ersten Winkelversatz relativ zur Ebene des Trägers (66) und eine erste sensorische Achse (SA&sub1;) senkrecht zu der ersten Pendelachse (PA&sub1;) und der ersten Gelenkachse (HA&sub1;) festlegt,
einem ersten Kraftwandler (74) zum Erfassen einer an dem ersten Pendel (58) angelegten Beschleunigung,
einem zweiten Pendel (60) mit einem Massenschwerpunkt (64) und zumindest einer zweiten Biegefeder (70), die das Pendel (60) mit dem Träger (66) drehbar koppelt, so daß die zumindest eine erste Biegefeder (68) und die zumindest eine zweite Biegefeder (70) in der gleichen Schicht des ebenen Trägers (66) ausgebildet sind,
wobei die zumindest eine zweite Biegefeder (70) eine an dem der ersten Gelenkachse (HA&sub1;) gegenüberliegenden Ende des Trägers (66) angeordnete zweite Gelenkachse (HA&sub2;), eine zweite Pendelachse (PA&sub2;) zwischen der zweiten Gelenkachse (HA&sub2;) und dem Massenschwerpunkt (64) mit einem vorbestimmten Winkelversatz relativ zur Ebene des Trägers (66) und eine zweite sensorische Achse (SA&sub2;) senkrecht zu der zweiten Pendelachse (PA&sub2;) und der zweiten Gelenkachse (HA&sub2;) festlegt, und einem zweiten Kraftwandler (76) zum Erfassen einer an dem ersten Pendel (60) angelegten Beschleunigung,
wobei die ersten und zweiten Kraftwandler (74, 76) beide auf eine zug- beziehungsweise schubbewirkende Weise angekoppelt sind, der eine zwischen einem Ende des Trägers (66) und dem ersten Pendel (58) und der andere zwischen dem einen Ende des Trägers (66) und dem zweiten Pendel (60), und
die Konfiguration der sensorischen Achsen (SA&sub1;, SA&sub2;) eine Auslöschung der einwirkenden Beschleunigungskomponenten quer zur Achse für alle einwirkenden Beschleunigungen bewirkt und so eine effektive sensorische Achse (SA) bereitstellt, die im großen und ganzen senkrecht zur Oberfläche des Siliziumsubstrats (55) liegt.
2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Kraftwandler (74, 76) Schwingstabwandler sind.
3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, außerdem mit Mitteln zum Verhindern einer Torsionsbewegung um die erste beziehungsweise zweite Pendelachse (PA&sub1;, PA&sub2;).
4. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, wobei die Verhinderungsmittel Streben (120, 122) umfassen.
5. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, wobei die Streben (120, 122) angrenzend an die Enden des ersten und zweiten Pendels (58, 60) und ihrer jeweiligen Gelenkachsen angeordnet sind.
6. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl der erste als auch der zweite Kraftwandler (74, 76) sich über die eine oder die andere erste oder zweite Gelenkachse erstrecken
7. Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sowohl der erste als auch der zweite Kraftwandler (74, 76) angrenzend zu der einen oder anderen ersten oder zweiten Gelenkachse angeordnet sind.
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