DE69528157T2

DE69528157T2 - Zweitorige elektromagnetische anregung für eine doppelend-stimmgabel

Info

Publication number: DE69528157T2
Application number: DE69528157T
Authority: DE
Inventors: J. Robinson; R. Woodruff
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1994-02-15
Filing date: 1995-02-14
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2015-02-15
Also published as: WO1995022062A1; EP0745224B1; DE69528157D1; JPH09508973A; DE745224T1; US5501103A; EP0745224A1; US5501103B1

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN

Die vorliegende Patentanmeldung ist verwandt mit der am 7. Juni 1993 eingereichten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 072,903 mit dem Titel VIBRATING BEAM FORCE TRANSDUCER WITH AUTOMATIC ADJUSTMENT OF ITS ELECTROMAGNETIC DRIVE [SCHWINGBALKEN-KRAFTGEBER MIT AUTOMATISCHER EINSTELLUNG SEINER ELEKTROMAGNETISCHEN ANSTEUERUNG] von Michael J. Robinson und James R. Woodruff.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

1. Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schwingbalken- Beschleunigungsmesser und insbesondere einen Schwingbalken-Beschleunigungsmesser, der eine elektromagnetisch angeregte Stimmgabel mit zwei Enden (DETF = double-ended tuning fork), enthält mit getrennten leitenden Wegen für die Ansteuerschaltung und die Abgreif Schaltung ausgebildet ist, um die Probleme zu minimieren, die mit Schwingbalken- Beschleunigungsmessern verbunden sind, die mit einem einzelnen leitenden Weg ausgebildet sind, wobei sich die Probleme aus Schwankungen des Widerstandswegs aufgrund von Herstellungstoleranzen und Temperaturänderungen ergeben.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Schwingbalken-Beschleunigungsmesser sind in der Technik allgemein bekannt. Ein Beispiel für einen bekannten Schwingbalken-Beschleunigungsmesser ist in Fig. 1 gezeigt. Derartige bekannte Schwingbalken- Beschleunigungsmesser enthalten normalerweise ein Pendel oder sind Prüfmasse 20, die über ein Paar Biegeelemente 24 mit einem Gehäuse 22 verbunden ist, damit sich das Pendel 20 um eine durch die Biegeelemente 24 definierte Gelenkachse HA drehen kann. Eine Stimmgabel mit zwei Enden (DETF) 26, die zwei schwingende Balken oder Zähne 28 und 30 enthält, ist zur Definierung einer Meßachse SA zwischen dem Gehäuse 22 und dem Pendel 20 verbunden, und zwar senkrecht zur Gelenkachse HA.
Die DETF 26 wird angeregt, um zu bewirken, daß die Schwingbalken 28, 30 mit einer Resonanzfrequenz schwingen, wenn das Pendel 20 in Ruhe ist. Entlang der Meßachse SA angelegte Kräfte bewirken, daß die Schwingbalken 28, 30 sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen, was die Resonanzfrequenz der Schwingung der Balken 28, 30 ändert. Mit dieser Frequenzänderung wird wiederum die entlang der Meßachse SA angelegte Kraft gemessen.
Es sind verschiedene Arten von Anregung bekannt, die die Schwingbalken 28, 30 zum Schwingen bringen, wie etwa elektromagnetische, elektrostatische und thermische Anregung. Die Art der Anregung hängt von den für die Konstruktion verwendeten jeweiligen Materialien ab. Beispielsweise werden Kristallquarz-DETFs entsprechend der piezoelektrischen Eigenschaft des Quarzes angeregt. Aus Silizium hergestellte DETFs werden normalerweise mikrostrukturiert und durch andere Mittel angeregt, wie etwa elektrostatisch oder elektromagnetisch.
Fig. 1 veranschaulicht einen mikrostrukturierten Schwingbalken-Beschleunigungsmesser aus Silizium, der eine Stimmgabel mit zwei Enden enthält, die so angelegt ist, daß sie elektromagnetisch angeregt werden kann. Bei einer derartigen Ausführungsform sind die Schwingbalken 28, 30 an einem Ende 32 elektrisch verbunden, während Elektroden oder Drahtbondkontaktstellen 33 und 34 an den gegenüberliegenden Enden 36 ausgebildet sind, wodurch ein leitender Weg definiert wird. Bei einer derartigen Ausführungsform wird ein leitendes Material wie etwa Gold sowohl auf die Schwingbalken 28, 30 wie auch die Drahtbondkontaktstellen 33, 34 aufgetragen, damit wie gezeigt elektrischer Strom zwischen den Drahtbondkontaktstellen 33 und 34 durch die Schwingbalken 28, 30 fließen kann. Ein extern erzeugtes Magnetfeld B wird in einer allgemein senkrecht zur Ebene der DETF 26 verlaufenden Richtung angelegt. Das Magnetfeld B reagiert mit den Strömen in den Schwingbalken 28 und 30 und verursacht eine Kraft auf die Balken 28 und 30. Wenn der an die Balken 28, 30 angelegte elektrische Strom ein Wechselstrom (AC) ist, schwingen die Balken 28, 30. Durch die Schwingung der Balken 28, 30 entsteht infolge des Magnetfeldes an den Drahtbondkontaktstellen 33, 34 eine Spannung. Diese als Abgreif Spannung bekannte Spannung wird wiederum verarbeitet und zur Quelle des Anregungsstroms zurückgeführt, um einen Oszillator zu bilden. Eine ausführlichere Beschreibung der magnetischen Anregung wird in dem US-Patent Nr. 4,912,990 offenbart.
An den gleichen Drahtbondkontaktstellen 33 und 34 ist auch eine Ansteuerspannung verfügbar. Diese Ansteuerspannung ergibt sich aus dem durch den Widerstand der DETF fließenden Anregungsstrom; ein relativ großer Spannungsabfall relativ zur Abgreif Spannung. Für die Ausbildung eines Oszillatorkreises muß die Ansteuerspannung von der Abgreif Spannung, die an den gleichen Drahtbondkontaktstellen zur Verfügung steht, getrennt werden. Bekannt ist die Verwendung einer Brückenschaltung zum Trennen der Spannungen. Beispielsweise ist bekannt, daß die Spannung an den Drahtbondkontaktstellen auf einen zur Regelung praktischen Pegel verstärkt wird, damit man ein Ausgangssignal erhält, und durch einen Amplitudenbegrenzer begrenzt wird, dessen Ausgang an einen mit der DETF in Reihe geschalteten Widerstand angeschlossen ist. Die DETF wiederum ist bekannterweise zwischen den Widerstand und Masse geschaltet, um einen Spannungsteiler zu bilden. Um die Abgreif Spannung von der Ansteuerspannung zu trennen, wird die Spannung von dem Spannungsbegrenzer bekannt erweise einem weiteren Spannungsteiler zugeführt, der so proportioniert ist, daß die Ausgabe der beiden Teiler mit Ausnahme der Abgreif Spannung etwa gleich ist. Mit den beiden Teilern wird eine Brücke gebildet, deren Ausgabe die Abgreif Spannung ist.
Bei einer derartigen Konfiguration besteht das Problem darin, daß ein einziger leitender Weg sowohl für die Ansteuerspannung als auch die Abgreif Spannung verwendet wird. Eine etwaige Schwankung des Widerstands in einem derartigen einzigen Stromweg sowie der an die Balken angeschlossenen, oben erwähnten Komponenten, die sich aus Herstellungstoleranzen und Temperaturänderungen ergibt, führt dazu, daß ein Oszillator sehr schlecht arbeitet, wenn überhaupt.
Ein Beispiel für einen Beschleunigungsmesser mit getrennten leitenden Wegen für die Ansteuerspannung und die Abgreif Spannung ist aus einem Artikel mit dem Titel "A Thermally-Excited Silicon Accelerometer" (Sensors and Actuators 17, (1989) 241-245) bekannt. Der Beschleunigungsmesser umfaßt einen mechanischen Resonator mit der Konfiguration entweder einer "doppelten Stimmgabel" oder eines dreibeinigen "Pfostentors" [wicket]. Im Fall der Konfiguration mit einem dreibeinigen Pfostentor enthält der zentrale Streifen eine Ansteuerschaltung, die zum Ansteuern eines Heizelements verwendet wird, während die beiden äußeren Streifen jeweils eine mit einem Dehnungsstreifen verbundene Abgreif Schaltung enthalten. Die Schlitze zwischen den Streifen isolieren die Ansteuer- und die Abgreif Schaltung gegenüber unerwünschter thermischer und kapazitiver Kreuzkopplung.

KURZE DARSTELLUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, verschiedene, mit dem Stand der Technik verbundene Probleme zu lösen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines elektromagnetisch angeregten mikrostrukturierten Schwingbalken- Beschleunigungsmessers aus Silizium, der die Probleme auf ein Minimum reduziert, die mit auf Herstellungstoleranzen und Temperatur zurückzuführende Widerstandsschwankungen im leitenden Weg der Schwingbalken verbunden sind.
Kurz gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen elektromagnetisch angeregten mikrostrukturierten Schwingbalken-Beschleunigungsmesser aus Silizium, der eine Prüfmasse oder ein Pendel enthält, das über ein Paar von Biegeelementen an einem äußeren Gehäuse befestigt ist, durch die eine Gelenkachse HA definiert wird. Eine Stimmgabel mit zwei Enden (DETF) ist zwischen der Prüfmasse und dem Gehäuse entlang einer Achse angeschlossen, die allgemein senkrecht zur Gelenkachse (HA) verläuft, wodurch eine Meßachse SA definiert wird, so daß entlang der Meßachse SA angelegte Kräfte bewirken, daß sich die DETP entweder zusammenzieht oder ausdehnt. Elektromagnetische Anregung bewirkt, daß die Schwingbalken mit einer Resonanzfrequenz schwingen. Als Reaktion auf eine Kraft entlang der Meßachse SA dehnen sich die Schwingbalken entweder aus oder ziehen sich zusammen, was zu einer Änderung der Resonanzfrequenz führt, was wiederum als Maß für die Kraft verwendet wird. Die Anregung enthält ein Magnetfeld B, das in eine Richtung allgemein senkrecht zur Ebene der DETF und in der gezeigten Konfiguration parallel zur Meßachse SA angelegt wird. Um Schwankungen des Widerstandswegs der Schwingbalken, die entweder auf Herstellungstoleranzen oder Temperatur zurückzuführen sind, zu kompensieren, ist die DETF gemäß der vorliegenden Erfindung als eine Doppelanschlußeinrichtung mit getrennten leitenden Wegen für die Ansteuerschaltung und die Abgreif Schaltung ausgebildet. Durch die Bereitstellung getrennter leitender Wege wirken sich Änderungen des Widerstands der Ansteuerschaltung relativ weniger auf die Leistung des Oszillators aus. Da die Balken getrennt sind, sind die DETFs außerdem so konfiguriert, daß sie eine ausreichende mechanische Ankopplung der die DETF bildenden Balken liefern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung lassen sich unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung und die beigefügte Zeichnung besser verstehen. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Zeichnung eines bekannten Schwingbalken-Beschleunigungsmessers;
Fig. 2 eine perspektivische Zeichnung eines elektromagnetisch angeregten Schwingbalken-Beschleunigungsmessers mit einem Paar Schwingbalken;
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Oszillatorkreises mit dem in Fig. 2 dargestellten Beschleunigungsmesser;
Fig. 4 eine Perspektivansicht eines elektromagnetisch angeregten Schwingbalken-Beschleunigungsmessers mit vier Schwingbalken gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ein vereinfachtes Schemadiagramm eines Oszillatorkreises, der mit dem in Fig. 4 dargestellten Schwingbalken-Beschleunigungsmesser ausgebildet ist;
Fig. 6 eine Perspektivansicht eines elektromagnetisch angeregten Schwingbalken-Beschleunigungsmessers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der mit einem Paar Schwingbalken mit mehreren leitenden Wegen pro Balken ausgebildet ist; und
Fig. 7 ein vereinfachtes Schemadiagramm eines Oszillatorkreises, der mit dem in Fig. 6 dargestellten Schwingbalken-Beschleunigungsmesser ausgebildet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikrostrukturierten Beschleunigungsmesser aus Silizium, der so ausgelegt ist, daß er elektromagnetisch angeregt werden kann. Derartige elektromagnetisch angeregte Beschleunigungsmesser enthalten bekannterweise eine Stimmgabel mit zwei Enden (DETF), die ein Paar Zähne oder Schwingbalken enthält, die allgemein parallel und voneinander beabstandet verlaufen. Bei bekannten elektromagnetisch angeregten Beschleunigungsmessern sind die Schwingbalken an einem Ende elektrisch miteinander verbunden, um einen geschlossenen Stromweg für einen Wechselstrom (AC) zu bilden, der zur Anregung an die Balken angelegt wird. Durch Anlegen eines konstanten Magnetfelds, so daß die Flußlinien allgemein senkrecht zur Ebene der DETF verlaufen, werden Kräfte erzeugt, die bewirken, daß die Balken aufgrund der Wechselwirkung des konstanten Magnetfelds mit dem von dem fließenden elektrischen Strom erzeugten Magnetfeld aufeinander zu und voneinander weg schwingen. Mit einer Konfiguration, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, werden somit beide Balken oder Zähne der DETF durch den Anregungskreis angesteuert.
Wegen der schwingenden Aktion der Balken oder Zähne im konstanten Magnetfeld wird an den freien Enden der Balken eine Abgreif Spannung erzeugt. Diese Abgreif Spannung wird von einer Ans teuer Spannung getrennt, die sich aus dem durch den Balken fließenden Ansteuerstrom ergibt, und dann in einer positiven Rückkopplungsschleife zurück zu der Quelle des Ansteuerstroms geführt, damit ein Oszillator gebildet wird. Etwaige Schwankungen beim Widerstand des leitenden Wegs, der beide Schwingbalken sowie etwaige Komponenten, die mit der DETF in Reihe geschaltet sind, enthält, verursachen leider Schwankungen der Abgreif Spannung, was zu einer schlechten Leistung des resultierenden Oszillators führt.
Der Schwingbalken-Beschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung getrennter und elektrisch isolierter leitender Wege für die Ansteuerschaltung und die Abgreif Schaltung durch Konfigurieren der DETF als eine Zweianschlußeinrichtung. Es werden zwei Ausführungsformen der Erfindung in Betracht gezogen. Insbesondere veranschaulichen Fig. 2 und 3 einen Beschleunigungsmesser mit einem Paar elektrisch voneinander isolierter Schwingbalken, das sich zur Erläuterung der Erfindung eignet, aber nicht in den Schutzbereich der Ansprüche fällt. Die Fig. 4 und 5 stellen eine erste Ausführungsform der Erfindung dar, die einen Beschleunigungsmesser mit vier Schwingbalken verwendet. Die Fig. 6 und 7 stellen eine zweite Ausführungsform der Erfindung dar, die einen Beschleunigungsmesser mit einem Paar Schwingbalken verwendet, das mit mehreren elektrisch isolierten leitenden Wegen pro Balken ausgebildet ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 enthält der allgemein mit der Bezugszahl 40 identifizierte Beschleunigungsmesser ein Außengehäuse 42 und eine Prüfmasse oder ein Pendel 44. Damit sich das Pendel 44 bezüglich des Außengehäuses 42 drehen kann, ist die Prüfmasse 44 über ein Paar Biegeelemente 46, die wie gezeigt eine Gelenkachse HA definieren, mit dem Außengehäuse 42 verbunden. Eine Stimmgabel mit zwei Enden (DETF) 48 ist zwischen dem Pendel 44 und dem Außengehäuse 42 in einer allgemein senkrecht zur Gelenkachse HA verlaufenden Richtung verbunden, wodurch eine Meßachse SA definiert wird. Eine Strebe 50 verbindet ein Ende der Prüfmasse 44 gegenüber den Biegeelementen 46 mit dem Außengehäuse 42.
Die DETF 48 enthält zwei Balken 52 und 54, die parallel zueinander angeordnet und mit einem vorbestimmten Spalt 56 voneinander beabstandet sind. Im Gegensatz zu bekannten DETFs sind die Schwingbalken 52 und 54 an keinem der beiden Enden elektrisch miteinander verbunden, wodurch eine Zweianschlußeinrichtung definiert wird, wodurch eine elektrische Isolierung der Balken 52, 54 und folglich getrennte leitende Wege für die Ans teuer Schaltung bzw. die Abgreif Schaltung bereitgestellt werden. Durch die Bereitstellung getrennter leitender Wege wirken sich Varianzen in den Widerständen der leitenden Wege wenig auf die Leistung des Oszillators aus.
Zur Bereitstellung einer mechanischen Ankopplung zwischen den Balken 52 und 54, so daß diese ein mechanisches System mit zwei Freiheitsgraden bilden, sind an beiden Enden jedes der Balken 52 und 54 Verlängerungen 58 ausgebildet. Zu beispielhaften Proportionen, bei denen es sich herausgestellt hat, daß sie eine akzeptable mechanische Ankopplung zwischen den beiden Balken 52 und 54 liefern, zählt die Ausbildung des Spalts 56 zwischen den Schwingbalken 52 und 54 mit etwa der gleichen Breite wie der Breite jedes der Balken 52 und 54. Die Verlängerungen 58 können außerdem mit einer Breite ausgebildet sein, die etwa das Vierfache der Breite der Balken 52 und 54 beträgt. Die Länge der Verlängerungen 58 kann so ausgebildet sein, daß sie etwa ein Zehntel der Länge der Schwingbalken 52, 54 beträgt. Eine derartige Konfiguration sorgt für eine ausreichende mechanische Ankopplung zwischen den Balken 52 und 54 und ermöglicht gleichzeitig, daß die Balken 52, 54 wie oben erörtert elektrisch isoliert sind. Andere Proportionen können jedoch ebenfalls eine akzeptable Ankopplung liefern.
Wie in Fig. 2 gezeigt, sind relativ zu jedem der Balken 52 und 54 leitende Wege 60 und 62 ausgebildet. Diese leitenden Wege 60 und 62 sind mit leitenden Bahnen wie etwa Gold ausgebildet. Diese leitenden Bahnen werden wie gezeigt auf die Schwingbalken 52 und 54 einschließlich der Verlängerungen 58 entlang des Pendels 44, der Strebe 50 und des Gehäuses 42 abgeschieden und an die Elektroden oder Drahtkontaktstellen 61, 63, 64 und 66 angeschlossen. Über die Elektroden 61 und 63 kann der leitende Weg 60 an eine externe Schaltung angeschlossen werden, während der leitende Weg 62 durch die Elektroden 64 und 66 an eine externe Schaltung angeschlossen werden kann.
Bei einer derartigen Konfiguration kann der eine oder der andere der Balken 52, 54 für die Anregung verwendet werden, während der andere der Balken 52, 54 für die Abgreif Spannung verwendet werden kann. Durch die Bereitstellung getrennter leitender Wege für die Ansteuerschaltung und die Abgreifschaltung wirken sich Schwankungen des Widerstands des ganzen leitenden Wegs, die sich aus Herstellungstoleranzen und Temperaturänderungen ergeben, wenig auf die Leistung des resultierenden Oszillators aus.
Ein Oszillatorkreis ist in Fig. 3 dargestellt. Der Balken 52 wird wie dargestellt für die Abgreif Schaltung verwendet, während der Balken 54 für die Ansteuerschaltung verwendet wird. Wenn, wie oben erörtert, der Balken 52 in einem Magnetfeld mit allgemein senkrecht zur Ebene der DETF verlaufenden Flußlinien schwingt, bewirkt dies die Erzeugung einer Abgreif Spannung zwischen den Enden des Schwingbalkens 52. Als solches ist ein Ende des Schwingbalkens 52 und insbesondere die Elektrode 63 über einen elektrischen Leiter 68 mit Masse verbunden. Das andere Ende des Schwingbalkens 52 ist an die Elektrode 61 angeschlossen, die wiederum über einen elektrischen Leiter 72 mit einem Verstärker 70 verbunden ist. Die Ausgabe des Verstärkers 70 wird wiederum über einen elektrischen Leiter 76 an einen Amplitudenbegrenzer 74 angelegt. Der Ausgang des Amplitudenbegrenzers 74 ist wiederum an die Elektrode 64 und wiederum über einen elektrischen Leiter 78 an ein Ende des Schwingbalkens 54 angeschlossen, damit das System einen Ansteuerstrom erhält. Das andere Ende des Schwingbalkens 54 ist wiederum über den an die Elektrode 66 angeschlossenen elektrischen Leiter 80 mit Masse verbunden.
Die Ausgangsspannung vom Begrenzer 74 erzwingt einen Ansteuerstrom durch den Schwingbalken 54. Dieser Ansteuerstrom zwingt den Balken 54 zu schwingen. Da wie oben erwähnt die Balken 52 und 54 so konfiguriert worden sind, daß zwischen ihnen eine ausreichende mechanische Ankopplung vorliegt, führt der Ansteuerstrom durch den Balken 54 auch zu einer Schwingung des Balkens 52. Durch die Schwingung des Balkens 52 in dem Magnetfeld mit allgemein senkrecht zur Ebene der DETF 48 verlaufenden Flußlinien wird wiederum eine Abgreif Spannung erzeugt, die wie oben erörtert zum Verstärker 70 und Amplitudenbegrenzer 74 zurückgeführt wird, wodurch eine positive Rückkopplungsschleife und ein Oszillator gebildet werden. Durch die Bereitstellung getrennter leitender Wege zwischen den Balken 52 und 54 wirken sich Schwankungen bei den Widerständen der leitenden Wege auf den Betrieb des Oszillators wenig aus.
In einer Ruheposition schwingen die Schwingbalken 52 und 54 als Reaktion auf einen Anregungsstrom mit einer Resonanzfrequenz. Etwaige, entlang der Meßachse SA angelegte Kräfte bewirken, daß die Schwingbalken 52, 54 sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen, was wiederum die Resonanzfrequenz der Schwingung der Schwingbalken 52 und 54 ändert. Diese Änderung der Resonanzfrequenz liefert eine Anzeige der entlang der Meßachse Sa angelegten Kraft.
Fig. 4 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der Erfindung, die eine DETF 100 enthält, die vier Schwingbalken 102, 104, 106 und 108 enthält. Analog zu dem in Fig. 2 dargestellten Beschleunigungsmesser ist die Stimmgabel 100 mit zwei Enden zwischen dem Pendel 44 und dem Außengehäuse 42 angeschlossen. Das äußere Paar Schwingbalken 102 und 108 ist elektrisch durch ein leitendes Glied 110 miteinander verbunden. Analog ist das innere Paar von Schwingbalken 104 und 106 durch ein leitendes Glied 112 miteinander verbunden. Die freien Enden jedes der Schwingbalken 102, 104, 106 und 108 sind an die Elektroden 114, 116, 118 und 120 angeschlossen. Durch eine derartige Konfiguration erhält man getrennte leitende Wege zwischen den Schwingbalken, die für die Ansteuerschaltung verwendet werden, und den Schwingbalken, die für die Abgreif Spannung verwendet werden. Insbesondere ist ein erster leitender Weg zwischen dem äußeren Paar von Balken 102 und 108 ausgebildet, während ein zweiter leitender Weg zwischen dem inneren Paar von Zähnen 104 und 106 vorgesehen ist.
Die mechanische Ankopplung zwischen den Balken 102 und 104 und zwischen den Balken 106 und 108 wird durch Kreuzglieder 122 und 124 bereitgestellt. Insbesondere ist das Kreuzglied 122 zwischen dem Zahn 102 und 104 angeschlossen, um zu bewirken, daß diese Balken 102, 104 zusammen schwingen. Analog ist das Kreuzglied 124 zwischen den Balken 106 und 108 angeschlossen, um zu bewirken, daß die Balken 106 und 108 zusammen schwingen. Da das Kreuzglied 122 zwischen den Balken 102 und 104 und das Kreuzglied 124 zwischen den Balken 106 und 108 angeschlossen ist, sind alle vier Balken 102, 104, 106 und 108 mechanisch zusammengekoppelt, wodurch ein mechanisches System mit zwei Freiheitsgraden gebildet wird.
Fig. 5 stellt einen Oszillator dar. Insbesondere wird das äußere Paar Schwingbalken 102, 108 für die Ansteuerschaltung verwendet, während das innere Paar Schwingbalken 104 und 106 für die Abgreif Schaltung verwendet wird. Zunächst unter Bezugnahme auf die Ansteuerschaltung ist die Elektrode 120 über einen elektrischen Leiter 126 an Masse angeschlossen. Der andere innere Schwingbalken 104 ist über einen an die Elektrode 116 angeschlossenen elektrischen Leiter 128 mit einem Verstärker 127 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 127 ist wiederum über einen elektrischen Leiter 132 an einen Amplitudenbegrenzer 130 angeschlossen. Der Ausgang des Amplitudenbegrenzers 130 wird wiederum dazu verwendet, den Ansteuerstrom des äußeren Paars von Schwingbalken 102, 108 zu liefern. Insbesondere ist der Ausgang des Amplitudenbegrenzers 130 über einen elektrischen Leiter 133 an die Elektrode 118 angeschlossen. Dies erzwingt einen Ansteuerstrom den äußeren Balken 108 hinauf und den äußeren Balken 102 hinunter zur Masse. Der Ansteuerstrom ist dann über den elektrischen Leiter 134 an Masse angeschlossen. Das Magnetfeld mit in einer Richtung allgemein senkrecht zur Ebene der DETF verlaufenden Flußlinien tritt in Wechselwirkung mit dem Ansteuerstrom in den äußeren Balken 102 und 108 und bewirkt, daß diese Balken 102, 108 schwingen. Aufgrund der mechanischen Ankopplung des inneren Paars von Balken 104 und 106 relativ zum äußeren Paar von Balken 102 und 108 wird am inneren Paar von Balken 104 und 106 eine Spannung erzeugt. Diese Spannung wird an den Elektroden 116 und 120 erzeugt. Diese Spannung wird dann, wie oben erwähnt, über eine positive Rückkopplungsschleife an den Verstärker 127 angelegt, um einen Oszillator zu bilden.
Der Betrieb des in Fig. 5 dargestellten Oszillators ähnelt dem in Fig. 3 dargestellten Oszillator. Insbesondere werden die Balken 102, 104, 106 und 108 als Reaktion auf eine Anregung oder einen Ansteuerstrom gezwungen, mit einer Resonanzfrequenz zu schwingen, während die Prüfmasse oder das Pendel 44 in Ruhe ist. Etwaige, entlang der Meßachse SA angelegte Kräfte bewirken, daß die Schwingbalken 102, 104, 106 und 108 sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen, was wiederum eine Schwankung der Resonanzfrequenz bewirkt, mit der die Balken 102, 104, 106 und 108 schwingen. Diese Differenz der Resonanzfrequenz wird somit als Maß für die entlang der Meßachse SA einwirkende Kraft verwendet. Diese Frequenz kann am Ausgang des Verstärkers 127 entlang der Leitung 135 durch eine beliebige herkömmliche Frequenzmeßschaltung gemessen werden, wie in der Technik wohlbekannt ist.
Die Fig. 6 und 7 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die eine mit einem Paar von Schwingbalken 134 und 136 ausgebildete DETF 133 enthält. Analog zu den in den Fig. 2 und 4 veranschaulichten Beschleunigungsmessern ist die DETF 133 zwischen dem Pendel 44 und dem Außengehäuse 42 angeschlossen. Bei dieser Ausführungsform sind an jedem der Schwingbalken 134 und 136 zwei elektrisch isolierte leitende Wege ausgebildet. Insbesondere enthält der Balken 134 zwei elektrisch isolierte leitende Wege; einen äußeren Weg 138 und einen inneren Weg 140. Analog ist der Balken 136 mit zwei elektrisch isolierten leitenden Wegen ausgebildet; einem inneren Weg 142 und einem äußeren Weg 144. Die leitenden Wege können beispielsweise durch Abscheiden eines leitenden Materials wie etwa Gold auf dem Schwingbalken 134 und 136 und entsprechendes Ätzen zum Ausbilden der beiden leitenden Wege pro Balken ausgebildet werden.
Zur Ausbildung getrennter Schaltungen für die Ansteuerspannung und die Abgreif Spannung sind die äußeren leitenden Wege 138 und 144 an einem Ende miteinander verbunden und an den freien Enden an Elektroden angeschlossen, die aus Drahtbondkontaktstellen 146 beziehungsweise 148 gebildet werden, wodurch eine elektrisch isolierte Ansteuerschaltung definiert wird. Analog können die inneren leitenden Wege 140 und 142 an einem Ende miteinander verbunden sein und an den freien Enden an die Elektroden 150 beziehungsweise 152 angeschlossen sein, wodurch eine elektrisch isolierte Abgreif Schaltung definiert wird.
Fig. 7 zeigt einen Oszillator, in den der in Fig. 6 dargestellte Beschleunigungsmesser integriert ist. Bei dieser Ausführungsform erzeugt eine schwingende Bewegung der Balken 136 und 138 im Magnetfeld an den Elektroden 150 und 152 ein Abgreifspannungssignal. Diese Abgreif Spannung wird über einen elektrischen Leiter 156 an einen Verstärker 154 angelegt. Das Ausgangssignal vom Verstärker 154 wird über einen elektrischen Leiter 160 an einen Begrenzer 158 angelegt. Da das Ausgangssignal des Begrenzers 158 dazu verwendet wird, der Ansteuerschaltung den Ansteuerstrom zu liefern, ist der Ausgang des Begrenzers 158 über einen elektrischen Leiter 162 mit der Elektrode 148 verbunden. Die andere Elektrode 146 für die Ansteuerschaltung ist über einen elektrischen Leiter 164 mit Masse verbunden. Außerdem ist die Elektrode 150 weiter über den elektrischen Leiter 166 mit Masse verbunden.
Wie oben erwähnt, führt eine etwaige Kraft oder Beschleunigung, die entlang der Meßachse SA angelegt wird, zu einer Frequenzänderung der Abgreif Spannung. Somit wird das Ausgangssignal des Verstärkers 154 über den elektrischen Leiter 165 an eine nicht gezeigte herkömmliche Frequenzmeßschaltung angelegt.
Angesichts der obigen Lehren sind offensichtlich viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich. Es ist somit zu verstehen, daß die Erfindung innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche auf andere Weise als oben spezifisch beschrieben praktiziert werden kann.

Claims

1. Schwingbalken-Beschleunigungsmesser (40), umfassend:

eine Prüfmasse (44);

ein Gehäuse (42);

mehrere Biegeelemente (46) zum Verbinden der Prüfmasse (44) mit dem Gehäuse (42), die eine Gelenkachse (HA) definieren;

mehrere Schwingbalken, die mechanisch aneinander gekoppelt und zwischen der Prüfmasse (44) und dem Gehäuse (42) angeschlossen sind; und

zwei getrennte und isolierte elektrische leitende Wege, die auf den mehreren Schwingbalken ausgebildet sind und deren Enden jeweils elektrisch mit einem Paar Drahtbondkontaktstellen (114, 116, 118, 120) verbunden sind, um einen ersten und zweiten Anschluß zu bilden, wodurch einer der leitenden Wege (112) mit einer Abgreif Schaltung und der andere der leitenden Wege (110) mit einer Ansteuerschaltung verbunden werden können;

dadurch gekennzeichnet, daß vier Schwingbalken vorliegen, wobei jeder der vier Schwingbalken (102, 104, 106, 108) einen Leiter enthält, wodurch ein Paar Innenleiter und ein Paar Außenleiter definiert werden, wobei das Paar Innenleiter und das Paar Außenleiter jeweils an einem Ende derart elektrisch miteinander verbunden sind, daß einer der leitenden Wege (110) auf dem Paar der Innenleiter und der andere der leitenden Wege (112) auf dem Paar der Außenleiter ausgebildet ist.

2. Schwingbalken-Beschleunigungsmesser (40) nach Anspruch 1, wobei die vier Schwingbalken (102, 104, 106, 108) allgemein beabstandet und elektrisch voneinander isoliert sind.

3. Schwingbalken-Beschleunigungsmesser (40) nach An- Spruch 1 oder 2, wobei die mechanische Ankopplung zwischen den vier Schwingbalken (102, 104, 106, 108) Kreuzglieder (122, 124) beinhaltet.

4. Schwingbalken-Beschleunigungsmesser (40), umfassend:

eine Prüfmasse (44);

ein Gehäuse (42);

zwei Schwingbalken (134, 136), die mechanisch aneinander gekoppelt und zwischen der Prüfmasse (44) und dem Gehäuse (42) angeschlossen sind; und

zwei getrennte und isolierte elektrische leitende Wege, die auf den zwei Schwingbalken (134, 136) ausgebildet sind und deren Enden jeweils elektrisch mit einem Paar Drahtbondkontaktstellen (146, 148, 150, 152) verbunden sind, um einen ersten und zweiten Anschluß zu bilden, wodurch einer der leitenden Wege mit einer Abgreifschaltung und der andere der leitenden Wege mit einer Ansteuerschaltung verbunden werden können, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der zwei Schwingbalken (134, 136) zwei Leiter enthält, wodurch ein Paar Innenleiter (140, 142) und ein Paar Außenleiter (138, 144) definiert werden, wobei das Paar Innenleiter (140, 142) und das Paar Außenleiter (138, 144) jeweils an einem Ende derart elektrisch miteinander verbunden sind, daß einer der leitenden Wege auf dem Paar der Innenleiter (140, 142) und der andere der leitenden Wege auf dem Paar der Außenleiter (138, 144) ausgebildet ist.

5. Schwingbalken-Beschleunigungsmesser (40) nach Anspruch 4, wobei die beiden Schwingbalken (134, 136) allgemein beabstandet und elektrisch voneinander isoliert sind.

6. Schwingbalken-Beschleunigungsmesser (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Anschluß auf einer Seite der Gelenkachse (HA) angeordnet sind.

7. Schwingbalken-Beschleunigungsmesser (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter mit einem Oszillator, der die Ansteuerschaltung und die Abgreifschaltung umfaßt.