WO2001046701A1 - Sensor zur erfassung einer drehbewegung oder einer drehbeschleunigung - Google Patents

Sensor zur erfassung einer drehbewegung oder einer drehbeschleunigung Download PDF

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WO2001046701A1
WO2001046701A1 PCT/EP2000/013048 EP0013048W WO0146701A1 WO 2001046701 A1 WO2001046701 A1 WO 2001046701A1 EP 0013048 W EP0013048 W EP 0013048W WO 0146701 A1 WO0146701 A1 WO 0146701A1
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heating
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PCT/EP2000/013048
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Heinz PLÖCHINGER
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Ploechinger Heinz
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    • G01P15/122—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by alteration of electrical resistance by metal resistance strain gauges, e.g. wire resistance strain gauges

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for detecting a rotational movement or a rotational acceleration and in particular to a sensor for detecting a rotational movement or a rotational acceleration with a heating element and a sensor element.
  • DE 42 43 978 Cl describes an inclination and acceleration sensor which, in a closed, fluid-filled housing, comprises a sensor structure with at least two temperature-dependent electrical resistors, at least one of the resistors being heated.
  • the convective flow that occurs in a gravity or inertial field in the fluid within the housing is evaluated and the signals that are detected by the sensor are directly related to the angle of inclination or the acceleration of the sensor system.
  • EP 95 300 345.6 describes a sensor which has at least one temperature-sensing resistance device which is arranged within a closed space. A gas that is in the closed space is heated, and when acceleration acts on the sensor, the resistance of the resistance device changes due to the flow of the heated gas through the resistance device.
  • the sensor has a semiconductor or an insulating substrate with a cavity therein and a protruding means of an insulating material which extends at least partially across the cavity in the space, the resistance means being integrally formed on the above means.
  • airspeed meters partially built into a rotor boundary layer so that they form two resistors of a Wheatstone bridge circuit for each axis.
  • the hot wire resistors change their resistance value according to the angular offset of the gyrorotor with respect to zero.
  • the combination of the changes in resistance is then used in the bridge circuit to provide an electrical signal that is directly proportional to a gyrorotor angle offset.
  • US-A-4,020,700 describes a rotation rate sensor which senses a fluid flow generated by a pump with hot wire probes.
  • the nozzle of the rotation rate sensor which directs a fluid towards a pair of temperature-dependent detection resistance elements, is formed in a main block that defines a chamber in which the detection elements are also mounted, thus causing problems of aligning the beam with respect to the chamber and aligning the Detection elements with respect to the nozzle can be reduced.
  • US-A-5,780,738 describes a rate of rotation sensing apparatus comprising a body having a surface with a protruding portion and an aperture through the surface proximate the protruding portion and through which fluid flow along an initial portion Current axis is directed, defined.
  • the above section directs the fluid flow in a path along the surface according to the Coanda effect.
  • a first flow sensor is mounted relative to the body and in proximity to the path of the fluid flow along the surface of the body. The first flow sensor generates a first indication of a flow rate of a first portion of the fluid flow in the vicinity thereof.
  • a second flow sensor is mounted relative to the body and near the path of the fluid flow along the surface of the body. The second flow sensor generates a second indication of a flow rate of a second portion of the fluid flow in the vicinity thereof.
  • the rotation of the body depends on the first display and O 01/46701
  • EP 0 328 247 B1 describes an angular velocity sensor which generates an output signal when there is a difference between the output signals of a pair of heat sensors when the gas stream emerging from a gas nozzle due to the influence of a movement imparted to the gas stream with an impressed angular velocity to be determined, one of the heat sensors smeared more than the other.
  • EP 0 786 645 A2 describes a sensor for detecting a rotation rate or a rotational acceleration with the aid of a capacitive evaluation of 2 to 4 moving or vibrating mass paddles, which is implemented in microsystem technology.
  • the sensor for detecting the rotation rate or the rotational acceleration has a vibrator with at least two vibrating masses and bars for carrying the masses.
  • the vibrator is formed using a single crystal silicon substrate of the (110) crystal plane, and the two bars use two kinds of (111) crystal planes perpendicular to the silicon substrate and not parallel to each other as main planes, and the two bars have flexibility in a direction that is parallel to the silicon substrate and vertical to each of the (111) crystal planes. Changes in capacitance between the masses and a group of electrodes are detected.
  • Rotation rate sensors are also known in which the capacitive change of moving masses to a fixed mass is evaluated in order to determine the rotation rate.
  • a disadvantage of known methods and sensors for detecting a rotational movement or a rotational acceleration is that they use, for example, moving masses which require a sensitive suspension.
  • Another disadvantage of known methods and sensors for detecting a rotational movement or a rotational acceleration is that, for. B. in sensors for detecting a fluid flow devices for generating a fluid flow, such as. B. a pump, are necessary to measure the fluid flow.
  • the object of the present invention is to provide a sensor for detecting a rotational movement or a rotational acceleration, which has a simple and robust construction.
  • the invention is based on the finding that the inertia of a locally heated fluid can be used to detect a rotational movement or a rotational acceleration.
  • the fluid in a local area is heated to a certain temperature by a heating element and the locally heated area and the heating element are moved relative to one another by a rotary movement, so that the locally heated area of the fluid z. B. to a neighboring to the heating element sensor element, which thereby detects a change in temperature of the fluid and thus a movement.
  • the heating element and the sensor element are preferably located on a common circle around the axis of rotation of the rotational movement or the rotational acceleration.
  • An advantage of the sensor of the present invention is that it is robust, overload safe and in any position O 01/46701
  • Another advantage of the sensor of the present invention is that it is self-testable.
  • Another advantage of the sensor of the present invention is that it is used for modern mass production processes, e.g. B. the microsystem technology and semiconductor lines, is suitable and inexpensive to manufacture.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a sensor according to the invention.
  • FIG. 2 shows an alternative arrangement of the sensor according to FIG. 1;
  • Fig. 3 is a schematic representation of an alternative heating element for the sensor in Fig. 1;
  • Fig. 4 is a schematic representation of an equivalent circuit for a heating element according to Fig. 3;
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a sensor according to the invention with two heating elements according to FIG. 3;
  • FIG. 6 shows a third exemplary embodiment of a sensor according to the invention.
  • FIG. 6a shows a polygonal arrangement corresponding to FIG. 6
  • FIG. 7 shows a fourth exemplary embodiment of a sensor according to the invention.
  • FIG. 7a shows a polygonal arrangement corresponding to FIG. 7;
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of an implementation of the fourth exemplary embodiment from FIG. 7;
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of an alternative implementation of the fourth exemplary embodiment from FIG. 7;
  • Fig. 10 is a schematic sectional view of an arrangement of the heating elements of Fig. 5, 6, 7, 8 or 9;
  • FIG. 11 is a schematic illustration of the convection roller of the heating elements of FIG. 5;
  • Fig. 12 is a schematic sectional view of an alternative arrangement of the heating element of Fig. 5;
  • a and B are a top view and a sectional view along the line I-I 'of a fifth exemplary embodiment of a sensor according to the invention.
  • FIG. 14 shows a sixth embodiment of a sensor according to the invention.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a sensor according to the invention.
  • a sensor 100 is located in a sealed, fluid-filled housing or in a capsule.
  • the sensor 100 has a substrate with an outer substrate region 102, which can be made of silicon, for example, and an inner substrate region 104, which is preferably a membrane or closed membrane or a thin membrane or closed thin membrane.
  • the boundary between the outer substrate region 102 and the inner substrate region 104 is shown by a boundary line 106.
  • a heating element 108 In the inner substrate region 104, e.g. B. on the membrane, is a heating element 108, which is preferably circular or arcuate and alternative WHERE
  • the heating element 108 can be polygonal and preferably has the shape of a conductor track.
  • the heating element 108 preferably consists of NiCrNi and can alternatively consist of polysilicon, Pt, aluminum or Ni. If the heating element 108 consists of a material with a TC almost zero (e.g. NiCrNi), it consumes constant power when a constant voltage is applied. This leads to an approximately constant increase in temperature compared to substrate area 102. In the case of other materials with a defined TC, the temperature of the heating element 108 can be determined and, if necessary, readjusted via the inherent resistance.
  • first sensor element 110 and a second sensor element 112 are provided in the inner substrate region 104, which are preferably quarter-circle-shaped conductor tracks, which consist for example of Ni and alternatively of Pt or polysilicon.
  • the first and second sensor elements 110, 112 are preferably in a circle with the heating element 108.
  • the sensor 100 also has a first contact area 114, which is connected to a first conductor track 116 to a first end of the heating element 108, and a second contact area 118, which is connected to a second conductor track 120 to a second end of the heating element 108.
  • the first contact surface 114, the first conductor track 116, the second contact surface 118 and the second conductor track 120 are preferably made of a metal, such as. B. copper, silver, gold, etc.
  • a heating voltage U He i z is applied via the thermal resistance of the heating element 108.
  • the sensor 100 also has a third contact area 122, which is connected to a third interconnect 124, which is connected to a first end of the first sensor element 110, and a fourth contact area 126, which is connected to a fourth interconnect 128, which is connected to a first End 126 of the second sensor element 112 is connected.
  • fourth contact surface 126 and the fourth conductor track 128 are preferably made of a metal, such as. B. copper, aluminum, gold, silver etc.
  • a fifth contact surface 130 is connected to a fifth conductor 132, which extends to a connection point between a second end of the first sensor element 110 and the second sensor element 112 and connects or contacts the same.
  • a second measuring connection 140 is also provided on the fifth contact surface 130 in order to be able to measure the differential voltage U D iff between the first and the second measuring connection 136, 140.
  • a constant voltage U cons -t- is applied between the third contact surface 122 and the fourth contact surface 126.
  • the sensor 100 is located in a closed, fluid-filled housing, the fluid surrounding the heating element 108 and the sensor elements 110 and 112 in a closed manner.
  • the heating element 108 heats the fluid around it, thereby creating a convection flow area that defines an isothermal field. If the sensor is rotated about an axis of rotation or Z axis of the coordinate system 142 or the fluid is rotated, or the plane in which the sensor lies is tilted, e.g. B. around the Y axis, the heating element moves, e.g. B. due to an inertia of the fluid, relative to the isothermal field generated by the same in the fluid to z. B. to generate further isothermal fields in neighboring areas.
  • the heat of the isothermal field moves, e.g. B. by climbing to one or both sensor elements 110, 112, since the sensor elements 110, 112 are rotated out of the plane of FIG. 1 around the Y axis towards the viewer and the heating element 108 is inclined inwards.
  • both the inclination about the Y axis and a simultaneous rotation about the Z axis can be determined by an identical or different change in resistance of the sensor elements 110, 112.
  • the heating element 108 By applying a heating voltage U He i z between the first contact surface 114 and the second contact surface 118, the heating element 108 is supplied with current via the conductor track 114, 116 in order to heat it.
  • the heating creates a heated area or a convection area around the heating element 108, which defines the isothermal field.
  • the absolute temperature of the heating element 108 is set by the applied voltage.
  • metallic heating elements such as. B. made of aluminum, Pt, Ni
  • the resistance of the heating element is linearly dependent on the temperature in a first approximation, so that the temperature can be read off the resistance of the heating element, which can be measured between the first contact surface 110 and the second contact surface 118 , This also applies to heating elements made of polysilicon.
  • the sensor elements 110 and 112 are via the third conductor 124, the fifth conductor 132 in a section between the second end of the first sensor element 110 and the second end of the second sensor element 112, and the fourth Conductor 128 connected in series.
  • a constant voltage U const can be applied between the third contact surface 122 and the fourth contact surface 126 via this series connection.
  • the series connection is a symmetrical voltage divider.
  • a permanently symmetrical voltage divider composed of two resistors 134, 136 of equal size is connected in parallel to this voltage divider between the contact surfaces 122, 126, and is formed in a first loop, which consists of the third conductor 124, the first sensor element 110, the first and second measuring connection 136, 140 and the fifth conductor 132, and in a symmetrical second loop, which consists of the fourth conductor 128, the second sensor element 112, the fifth conductor 132, the first and the second measuring connection 136, 140, each half of the constant voltage U CO not impressed.
  • the first sensor element 110 is now moved into the area heated by the heating element 108, preferably a convection roller, its resistance changes, increases in the case of metallized sensor elements, and the differential voltage U ⁇ iff between the first measuring connection 136 and the second measuring connection 140 becomes positive. This indicates a left rotation of the sensor 100 about the axis of rotation or about the Z axis.
  • the second sensor element 112 is moved into the convection roller of the heating element 108, its resistance increases and the differential voltage U D iff becomes negative. This indicates a clockwise rotation of the sensor.
  • An inclination or rotation of the sensor 100 about the Y axis can be determined in that the resistance value of both sensor elements 110 and 112 between the third contact surface 122 and the fifth contact surface 130 or between the fourth contact surface 126 and the fifth contact surface 130 increases equally or decreases immediately, depending on whether the sensor elements are turned out or in from the Y plane of FIG. 1.
  • An inclination of the sensor 100 about the Y axis with simultaneous rotation about the Z axis can be determined from the superimposition of the effects mentioned above for the rotation about the Z axis and the inclination about the Y axis, the inclination about the Y -Axis causes an equal change in the resistances of sensor elements 110 and 112, an offset, and the rotation about the Z axis contributes to the change in resistance with a difference in the resistances of sensor elements 110 and 112.
  • rotary movements and rotational accelerations and also inclinations about an axis with simultaneous rotation about another axis and thus also lateral accelerations can be measured.
  • Both the sensor itself can be rotated so that the inertia of the fluid and the rotation of the sensor elements 110, 112 lead to a measuring effect, or the sensor 100 can be attached or fixed and the fluid is e.g. B. brought by a drive shaft, a propeller, etc. into a rotating movement, as shown in Fig. 2.
  • FIG. 2 shows an arrangement of a sensor 200 according to FIG. 1 in a housing 202 which contains a fluid 204.
  • the sensor 200 is mounted on a carrier 206.
  • a shaft 208 rotates.
  • B. a propeller, a plunger 210, etc. can be attached.
  • the shaft rotates about its axis and causes a rotational movement or acceleration of the fluid 204, which can be measured by the sensor 200.
  • a bearing and sealing structure 212 is provided around the shaft 208, which the shaft against the housing 202 seals.
  • the temperature of the heating element 108 can only be set absolutely, that is to say it is not possible to determine how strongly the surroundings of the heating element 108 change during a measurement of the rotational movement or the rotational acceleration. ⁇ ". O 01
  • thermocouples as the heating element 108.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an alternative heating element for the sensor of FIG. 1.
  • the heating element 108 of FIG. 1 is replaced therein by two series connections of thermocouples.
  • a sensor 300 has a first substrate region 302, a second substrate region 304, the boundary of which is indicated by a boundary line 306, and a third substrate region 308, the boundary of which to the second substrate region 304 is indicated by a boundary line 310.
  • the first and second substrate regions 302, 304 are preferably made of a silicon substrate, and the third substrate region 308 is preferably a circular opening in the second substrate region 304 or a circular membrane, such as, for example, a silicon substrate.
  • B. a thin membrane disposed over the opening in the second substrate region 304.
  • a first contact and conductor structure is provided in an area to the left of the X axis of the coordinate system 301 and has a first contact area 314a, a second contact area 316 and a third and fourth contact area 318a, 320a.
  • the contact surfaces preferably consist of a highly conductive contact layer, such as. B. of gold, silver, copper, etc.
  • a first conductor 322a, a second conductor 324a, a third conductor 326a are each connected at a first end to a first arm of a respective thermocouple 328a, 330a, 332a, each of the same Material such as the respective conductor track.
  • the conductor tracks 322a, 324a, 326a and the first arms are made of a first material, e.g. B. Ni, Pt, W, Cu, Fe, NiCr, Si and CuNi or a doped semiconductor.
  • the first, second and third conductor tracks 322a, 324a, 326a are connected at their respective second ends to the respective contact area 314a, 318a, 320a.
  • a fourth conductor track 334a, a fifth conductor track 336a and a sixth conductor track 338 are each connected at a first end to a second arm of the respective thermocouples 328a, 330a, 332a, which each consist of the same material as the respective conductor track.
  • the conductor tracks 334a, 336a, 338 and the second arms of the thermocouples 328a, 330a, 332a consist of a second material which differs from the first material of the conductor tracks 322a, 324a, 326a and, for example, Ni, Pt, W, Cu, Fe, NiCr, Si, CuNi or a doped semiconductor can be.
  • the conductor tracks 334a, 336a, 338 are connected at their respective second ends to the respective contact area 318a, 320a and 316.
  • the thermocouples 328a, 330a, 332a are connected in series by the conductor tracks 322a, 334a, 324a, 336a, 326a and 338 and the contact areas 314a, 318a, 320a and 316 in order to form a first series connection of thermocouples.
  • a second contact and conductor structure with thermocouples is provided to the right of the X axis in mirror symmetry to the X axis of the coordinate system 301.
  • Contact areas 314b 318b and 320b of this second contact and conductor structure correspond to the contact areas 314a, 318a and 320a of the first contact and conductor structure already described, and conductor tracks 322b, 324b, 326b, 334b and 336b correspond to the conductor tracks 322a, 324a, 326a, 334a and 336a of the first contact and conductor structure already described.
  • thermocouples 328b, 330b, 332b with these conductor tracks and contact areas is formed, which is connected or polarized opposite to the first series connection of thermocouples with respect to conductor track 338 and contact area 316, since the arrangement of the arms of the thermocouples is opposite the same as the first O 01/46701
  • thermocouples 328a, 330a, 332a, 328b, 330b, 332b are connected to one another at a respective pointed end point or a connection point. These end points preferably lie on a common circular arc 340 and form individual heating points of the heating element 312.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of an equivalent circuit 400 for a heating element 312 according to FIG. 3 and the wiring of this heating element.
  • the contact areas 414a, 414b and 416 correspond to the contact areas 314a, 314b and 316 in FIG. 3.
  • the left part 428a of the conductor track 428 corresponds to the first arms of the thermocouples 328a, 330a, 332a and the associated conductor tracks 322a, 324a, 326a in FIG. 3
  • the right part 428b of the conductor track 428 corresponds to the first arms of the thermocouples 328b, 330b, 332b and the associated conductor tracks 322b, 324b, 326b in FIG. 3.
  • the conductor track 428 also consists of a first one Material, preferably constants.
  • the conductor track 438 in FIG. 4 corresponds to the conductor tracks 334a, 336a, 338, 334b and 336b in FIG. 3 and also consists of a second material which differs from the first material and is preferably copper.
  • the terminals 442, 444 and 446 correspond to the terminals 342, 344 and 346 in FIG. 3.
  • the same AC voltages for heating the thermocouples are applied to the terminals 442 and 446.
  • the thermal voltage U TH is tapped at the terminal 444 and a terminal 448 of a symmetrical transformer 450.
  • the AC voltages at the terminals 442, 446 are preferably supplied by the symmetrically divided transformer 450.
  • a thermal voltage forms at the point of contact or connection between two different metals, since the metals have different work functions of the electrons.
  • the contact surfaces 414a, 414b and 416 at a first temperature, while the connection area or the connection point 452 between the conductor track 438 and the conductor track 428 is at a second, preferably higher temperature.
  • the connection point 452 corresponds to the tips of the heating elements of FIG. 3.
  • the thermal voltage U TH is now determined from a material constant which characterizes the transition from the material of the conductor track 428, the first material, to the material of the conductor track 438, the second material , multiplied by the temperature difference from the temperature at the connection point 452 and the temperature of the contact surfaces 414a, 416, 414b.
  • the material constant describes here, for example, the transition between constantan and copper or the linear dependence of the thermal voltage U TH between two materials on the temperature difference between these materials.
  • thermocouples of the heating element in FIG. 4 are their lower inertia compared to the resistance heater of FIG. 1.
  • thermocouples of the series circuit of thermocouples form one along the circle 340 extending heating element, which can be heated at the contact points or connecting points of the first and second arms of the thermocouples 328a, 330a, 332a, 328b, 330b, 332b, which enables uniform heating over the entire area of the heating element 312.
  • the series connections of the thermocouples are also called thermopiles.
  • thermopiles can also be used in order to detect the temperature over a specific spatial area via the thermocouple of the thermocouples, the thermopiles preferably being realized with a differential circuit of two or more thermopiles become.
  • FIG. 5 shows a second exemplary embodiment of a sensor 500 according to the invention, which uses two heating elements according to FIG. 3.
  • Two heating elements 502, 504 are arranged offset on one another in a circle 506 about the Z axis or axis of rotation by 180 °.
  • This circle 506 describes, for example, an opening in a substrate, over which the heating elements 502, 504 are arranged, or a circular membrane on which the heating elements 502, 504 are arranged, in order to heat a fluid there, which surrounds the sensor 500.
  • the heating elements 502, 504 each consist of two mutually connected series connections 502a, 502b and 504a, 504b of thermocouples, as shown in FIG. 3. The individual ends of the thermocouples are on a circle 508 z. B.
  • Each heating element in turn generates an isothermal field which moves relative to the respective heating element when the sensor 500 rotates or accelerates about the axis of rotation or Z-axis or when the fluid rotates or accelerates and is moved by e.g. B. a sensor element adjacent to the circle 506, the sensitive area of which is also arranged along the circle 508, is detected. It can e.g. B. two 180 ° offset sensor elements 1 or also series connections of thermocouples according to FIG. 3 and which have a similar extension to the heating elements, are arranged adjacent to both sides of the heating elements 502, 504. Now turns z. B.
  • a change in resistance or a change in temperature is detected either by one or the other, and depending on which sensor element responds, the direction of rotation is also detected.
  • the rotation of the sensor 500 about the X axis can also be detected, with only one sensor element on the circle 506 to the left or right of the heating elements 502, 504 in FIG. 5 being warmed and thus the direction, the rate Can specify acceleration of rotation.
  • FIG. 5 also shows the connection of the sensor 500.
  • two equal AC voltages are applied to the heating elements 502, 504 by a symmetrical transformer 510.
  • a respective thermal voltage of the individual heating elements 502, 504 can in turn be taken, with which the relative temperature of the fluid or the isothermal fields more precisely of the tips of the thermocouples, with respect to the environment, e.g. B. outside the circle 506, can be controlled via the AC voltages. This has already been described above for FIGS. 3 and 4.
  • a sensor 600 comprises four heating elements, which are simultaneously sensor elements, or four heating / sensor elements 604, 606, 608, 610, which are arranged on a substrate 602 along a circle, e.g. B. an opening in the substrate 602 or a circular membrane over the opening, etc., each offset by 90 ° to each other.
  • the heating / sensor elements 604 to 610 are preferably resistance heaters, such as the heating element 108 in FIG. 1, or thermocouples or series connections of thermocouples, such as the heating element 312 in FIG. 3.
  • 604-610 each generate isothermal fields or convection rollers by current flow through the heating or measuring resistors or by alternating current heating of the thermocouples, and when the sensor rotates or accelerates, a heating / sensor element moves relative to its convection roller to move to cooler areas, thereby cooling itself.
  • This cooling can be measured by the heating resistors by a change in resistance and by the thermocouples by a change in the thermal voltage.
  • a rotational movement and a rotational acceleration can thus be detected.
  • 6 shows in the case of the heating / sensor elements 604-610 in broken lines the convection rollers (FIG. 11) of the heating elements 604-610 left behind when the sensor 600 is rotated to the right. If heating resistors are used as heating / sensor elements, they are readjusted by cooling down to the previous absolute temperature, and if thermocouples heating / sensor elements are used, they are readjusted to the previous relative temperature to the environment.
  • thermocouples according to FIG. 3 if the thermal voltages between the contact surfaces 342 and 344 or 344 and 346 are measured separately. Rotations about the X-axis and the Y-axis can, however, be detected with the sensor 600, since the convection rollers move away from or to the heating / sensor elements when tilted about one of these axes by convection, rising heat other heating / sensor elements and cause a temperature change up or down.
  • Element 610 is first cooled and then heated. It is therefore possible to determine the occurrence of a rotation as well as the direction of rotation of this rotation about the X axis and the Y axis.
  • FIG. 6a shows a polygonal arrangement corresponding to FIG. 6, wherein the elements 604 to 610 can consist of resistance tracks or thermocouples in series.
  • the elements 604 to 610 can consist of resistance tracks or thermocouples in series.
  • two opposite elements e.g. 604 to 608
  • the other elements e.g. 606 to 610
  • FIG. 7 shows a fourth embodiment of a sensor according to the invention. Similar to the sensor of FIG. 6, four heating elements 704, 706, 708 and 710 are preferably offset along a circular line on a substrate 702 by 90 ° to one another in a sensor 700. Each heating element has a first and a second side along the circular line. A respective sensor element 712r or 7121, 714r or 7141, 716r or 7161 and 718r or 7181 is arranged along each of these sides of a respective heating element 704-710 along the circular line.
  • the heating elements 704-710 in turn generate a convection roller (FIG. 11) around them, which can be detected by the adjacent sensor elements 712-718 when they are rotated. Due to the right-hand and left-hand arrangement of the sensor elements 712-718, the direction of rotation can also be detected since, for. B. with a clockwise rotation of the sensor 700 about the Z axis, the sensors 712r-718r are touched by the respective convection roller of the respective heating element 704-710 and heat up, and thus the rotation or rotational acceleration to the right can be detected. The same applies to a rotation to the left, in which the sensors 7121-7181 are detected by the respective convection roller.
  • One advantage is that either all sensors 712r- O 01/46701
  • the structure according to FIG. 7 also enables the detection of inclinations or rotations about the X and Y axes, which is explained in more detail below.
  • FIG. 7a shows a polygonal arrangement corresponding to FIG. 7.
  • the heater and sensors are, however, arranged in two circular paths or polygon courses with different radius.
  • the sensors 712r, 7121, 714r, 7141, 716r, 7161 and 718r, 7181 are combined in one track with center tap 712, 714, 716 and 718. Since it is not the center but the outer area of the convection roller that is detected by the sensors, the structures are unsupported or on a broken membrane to reduce the mass inertia as much as possible.
  • Heaters and sensors can in turn be used in series or mixed from resistance tracks or thermocouples.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an implementation of the fourth exemplary embodiment according to FIG. 7.
  • four heating elements 804, 806, 808, 810 or 804-810 are arranged on a substrate 802, preferably offset from one another on a circular line .
  • Each heating element has a first and an opposite second side or a first and a second end in the direction of the circular line, to which adjacent sensor elements 812r or 8121, 814r or 8141, 816r or 8161 and 818r or 8181 are arranged are.
  • the heating elements 804-810 are preferably resistance heaters made of NiCrNi and can alternatively be thermocouples or series connections of thermocouples according to FIG. 3.
  • the sensor elements 812-818 are series connections made of thermocouples or thermopiles, in which thermocouples, each consisting of two arms 820, 822 made of different metallic materials, such as. B. Pt, Ni, W, Cu, Fe, NiCr Si, CuNi, are used, in which the temperature at the connection points 824 of these arms 820, 822 or the tips of the thermocouples is measured.
  • the arms of the thermocouples of a sensor element are designed such that they are staggered next to one another along the circular line with different lengths of the arms, as can be seen in FIG. 8 on the sensor element 812r.
  • the substrate 802 is shown divided into two sections, an outer section 826 and an inner section 828, by a line 830.
  • the outer portion 826 is preferably a rigid substrate, e.g. B. consists of silicon etc.
  • the inner section 828 of the substrate 802 can also be a rigid section z. B. be made of silicon.
  • the sensor elements and the heating elements are arranged on this inner section 828 of the substrate 802.
  • Inner portion 828 may further include an opening or an opening in outer portion 826 of substrate 802 over which the heating elements and sensor elements are cantilevered, or inner portion 828 may have a membrane or a membrane overlying one Opening is arranged in the inner section 828 or above the inner section 828, on which the heating elements and sensor elements are mounted.
  • the heating elements 804-810 are regulated to an absolute temperature via a current depending on the measured resistance of the respective heating element or heating resistor.
  • the sensor elements 812-818 each have two terminals (+, -) at which the respective thermal voltage U ⁇ 2r ' u 121' u 14r '... of the respective sensor element 812r, 8121, 814r, ... can be tapped and with what a determination of the relative temperature to the environment is made possible, and in addition it is made possible to control the temperature of the neighboring heating elements 804-810 not only absolutely but also relatively.
  • the difference delta (U z ) is the sum of all measurement signals or thermal voltages U ⁇ r ' u 14r' u 16r ' u 18r of the sensor elements 812r , 814r, 816r, 818r on the left side of each heating element 804, 806, 808, 810 or 804-810 and from the sum of all measurement signals or thermal voltages 0 ⁇ 21 ⁇ u 141 ' u 161' ü 181 or U12I - U 181 of the sensor elements 8121, 8141, 8161, 8181 and 8121-8181 are formed on the right side of each heating element 804-810.
  • This difference represents, if it is positive, a rightward rotation of the sensor 800, and if it is negative, a leftward rotation of the sensor 800 about the Z-axis. Both rotary movements and rotational accelerations can be detected with this signal.
  • the difference delta (U x ) from the sum of the measurement signals or the thermal voltages U ⁇ 4 r and U1 1 of the sensor elements 814r and 8141 and from Sum of the measurement signals or the thermal voltages U ⁇ gl and U ⁇ gr of the sensor elements 8181 and 818r are formed.
  • This difference represents, for example, if it is positive, a positive rotation about the X axis (right-hand screw in the X direction), and if it is negative, a negative rotation of the sensor about the X axis in FIG. 8.
  • the difference delta (U y ) from the sum of the measurement signals or the thermal voltages U ⁇ 2r and u 121 of the Sen_ O 01/46701
  • thermocouples 812r, 8121 are rotated out of the plane of FIG.
  • thermocouples 812r, 8121 the heat of the heating element 808 rising "up" to the thermocouples 812r, 8121, the thermocouples 8161, 816r So cool something and its thermal voltage drops, and the thermocouples 812r, 8121 are warmed by the increasing heat of the heating element 808, so that their temperature or thermal voltage increases.
  • a self-test of the sensor can also be carried out in the structures of FIGS. 7 and 8.
  • One possibility is to heat or heat each heating element 804-810 individually for itself or all heating elements together and to observe the reaction of the sensor elements 812r, 8121, 814r, 8141,. where a certain nominal behavior serves as a comparison when the sensor functions properly.
  • the heating elements individually or all with an alternating signal, preferably a square wave signal, and the temperature rise shark neighboring sensor elements with a high square-wave signal (heating element on) and the temperature drop behavior with a low square-wave signal (heating element off) can be observed in order to test the function of the sensor element or also of the heating element or the heating elements.
  • This can e.g. B. derived from the response or the response time of adjacent sensor elements to heating or switching on a heating element.
  • a further possibility of a self-test consists in an additional heating element which is arranged adjacent to a respective sensor element in order to test the response behavior of the same by applying a predetermined heating curve (square-wave signal) and checking the response of the sensor element.
  • this additional heating element can also be switched on and off in combination with the existing neighboring heating elements in order to check a reaction of the sensor element.
  • a self-test is preferably carried out when there is no rotational acceleration or rotational movement of the sensor, for example in order to compare a predetermined nominal behavior with the sensor behavior.
  • a self-test can be carried out, for example, by a voltage superimposed on the existing heating voltage, an offset which causes a superimposed, verifiable reaction of the sensor element.
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of an alternative implementation of the fourth exemplary embodiment according to FIG. 7.
  • a sensor has a substrate 902, which is shown divided by a line 930 in an outer section 926 and in an inner section 928.
  • the substrate 900 can be configured as described for FIG. 8.
  • heating elements 904-910 and adjacent sensor elements 912r or 9121, 914r or 9141, 916r or 9161 and 918r or 9181 are arranged on substrate 902.
  • Heating elements 904-91C and sensor elements 912-918 are now preferably arranged in a polygonal shape, which enables simplified production of the heating elements and sensor elements compared to the more complex circular sensor elements (thermocouples) from FIG. 8.
  • the sensor elements 912-918 are now measuring resistors which preferably consist of Ni and the heating elements 904-910 are measuring resistors which preferably consist of NiCrNi (constantan).
  • the measuring resistances of the sensor elements and heating elements can also consist of polysilicon.
  • the measuring resistances of the sensor elements 912-918 can be actively regulated to a second lower temperature than the temperature of the heating elements 904-910, as a result of which a rotational acceleration measurement can be carried out by controlling the power of the sensor elements.
  • the regulation of the sensor elements to a lower temperature also allows a higher measuring sensitivity.
  • Fig. 10 shows a schematic sectional view of an arrangement of the heating elements of z. B. Fig. 5.
  • a sensor 1000 has a substrate 1002 in which an opening 1004 is provided. About this opening 1004 z. B. two tips 1010, 1012 of thermocouples 1006, 1008, such as. B. the series circuits 502, 504 of thermocouples in Fig. 5, which have for example a contact and conductor structure as in Fig. 3, arranged or arranged self-supporting.
  • the thermocouples 1006, 1008 are used as heating elements, as in FIG. 5, and consequently a candle-shaped isothermal field 1014, 1016 with individual isotherms is formed around the respective tip.
  • the candle shape results from the heat rising upward in the direction of the Z axis.
  • sensor elements can be arranged adjacent to the heating elements, which touch the isothermal field generated by the heating elements when the sensor or the fluid rotates about the Z axis - 26 -
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of the convection rollers of the heating elements from FIG. 10.
  • the rotation of the individual heating elements 1010, 1012 in FIG. 10 about the Z axis describes envelope volumes through the isothermal fields, which are usually referred to as convection rollers 1102, 1104 .
  • the convection rollers 1102, 1104 describe a circular shape, which is indicated by a line 1106.
  • FIG. 12 shows a schematic sectional illustration of an alternative arrangement of the heating elements from, for example, FIG. 5.
  • the heating elements are not arranged in a self-supporting manner.
  • the sensor 1200 in FIG. 12 has a substrate 1202 with an opening 1204, over which a carrier element, such as preferably a thin membrane 1205, which has a low heat capacity and which closes the opening 1204, is arranged.
  • a carrier element such as preferably a thin membrane 1205
  • thermocouples 1206 and 1208 are arranged, which have respective heating tips 1210 and 1212, as z. B. to Fig. 10 is described.
  • thermocouples also generate isothermal fields 1214 and 1216, which, however, do not penetrate too much into the membrane, so that the isothermal fields 1214, 1216 differ somewhat from the isothermal fields 1014, 1016 of FIG. 10.
  • the heaters Upon rotation about the Z axis, the heaters also form convection rollers, as shown schematically in FIG. 11.
  • FIGS. 13A and 13B show a top view and a sectional view of a fifth exemplary embodiment of a sensor according to the invention.
  • FIGS. 13A and 13B show a sensor in which the heating elements and the sensor elements are arranged one above the other.
  • a membrane 1306 is provided over an opening 1304 in the substrate 1302.
  • Insulation 1312 is applied to the heating element 1308 and electrically insulates the heating element 1308 from individual tips 1314 or connection points of two series connections 1316, 1318 from thermocouples which form a sensor element 1319.
  • the individual arms 1320 and 1322 of the thermocouples each consist of a first material and a second material, between which a thermal voltage arises at the tips 1314.
  • a sensor 1400 has a first substrate 1402 with an opening 1404, over which a membrane 1406 is preferably arranged. On the membrane 1406 are symmetrical about an axis of rotation or the Z-axis heating elements 1408 z. B. Figs. 1, 3 and 5 are provided. These heating elements 1408 are e.g. B. resistance heaters, which are supplied with power via contact devices 1410.
  • a second substrate 1412 with an opening 1414, which is preferably closed with a membrane 1416, is arranged above the first substrate 1402, centered on the axis of rotation. On this membrane 1416 are symmetrical to the axis of rotation and above the heating elements 1418 sensor elements 1408, such as. B. the same from FIG.
  • the sensor elements which can be resistors, for example, are read out or measured via contact devices 1420.
  • the heating elements 1408 generate candle-shaped isothermal fields 1422 during operation, which heat the sensor elements 1418. at a rotational movement or acceleration of the sensor 1400 about the axis of rotation or Z-axis, for example, the heated areas are moved relative to the sensor elements 1418 and the heating elements 1408, whereby the sensor elements 1418 cool and thus z.
  • such an arrangement is not as sensitive as arrangements in which the sensor elements and the heating elements lie next to one another.
  • the sensors according to the invention are preferably arranged in a closed, fluid-filled housing or a capsule.
  • the fluid is preferably a high-molecular or high-density gas or a liquid.
  • the density of the fluid influences the isothermal fields and the highest heating effect of the fluid is obtained with the highest density of the fluid.
  • the present invention encompasses sensors which enable simple detection of rotary movements and rotational accelerations, are simple in construction and are easy to manufacture. Preferred applications are in the area of navigation, e.g. B. of automobiles, water and aircraft, the detection of movements in liquids or fluids in closed systems, the detection of the rotation of shafts etc.

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Abstract

Ein Sensor (100) zum Erfassen einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung umfasst mindestens ein Heizelement (108) und mindestens ein Sensorelement (110, 112) und ein Fluid, das das Heizelement (108) und das Sensorelement (110, 112) umgibt, wobei das Heizelement (108) in dem Fluid einen Konvektionsströmungsbereich erzeugt, durch den ein Isothermenfeld festgelegt wird. Das Heizelement (108) und das Sensorelement (110, 112) sind derart bezüglich einer Drehachse der zu erfassenden Drehbewegung oder Drehbeschleunigung angeordnet, dass sich das Sensorelement (110, 112) bei einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung gegenüber dem Isothermenfeld bewegt.

Description

Sensor zur Erfassung einer Drehbewegung oder oiner Drehbeschleunigung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Erfassen einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung und insbesondere auf einen Sensor zum Erfassen einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung mit einem Heizelement und einem Sensorelement.
Die DE 42 43 978 Cl beschreibt einen Neigungs- und Beschleunigungs-Sensor, der in einem geschlossenen, fluidgefüllten Gehäuse eine Sensorstruktur mit mindestens zwei temperaturabhängigen elektrischen Widerständen umfaßt, wobei mindestens einer der Widerstände beheizt ist. Die konvektive Strömung, die sich in einem Schwere- oder Trägheitsfeld im Fluid innerhalb des Gehäuses einstellt, wird ausgewertet und die Signale, die durch den Sensor erfaßt werden, stehen in direktem Bezug zum Neigungswinkel bzw. zur Beschleunigung des Sensorsystems.
Die EP 95 300 345.6 beschreibt einen Sensor, der mindestens eine temperaturerfassende Widerstandseinrichtung aufweist, die innerhalb eines geschlossenen Raums angeordnet ist. Ein Gas, das sich in dem geschlossenen Raum befindet, wird geheizt, und wenn eine Beschleunigung auf den Sensor wirkt, ändert sich aufgrund des Flusses des erwärmten Gases über die Widerstandseinrichtung der Widerstand der Widerstandseinrichtung. Der Sensor weist einen Halbleiter oder ein isolierendes Substrat mit einem Hohlraum darin und eine vorstehende Einrichtung eines isolierenden Materials auf, die sich in dem Raum zumindestens teilweise quer zu dem Hohlraum erstreckt, wobei die Widerstandseinrichtung einstückig an der vorstehenden Einrichtung gebildet ist.
Die US-A-4, 361,054 beschreibt eine Anordnung von Hitzdraht- O
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luftgeschwindigkeitsmessern, die teilweise in eine Rotorgrenzschicht eingebaut sind, so daß dieselben zwei Widerstände einer Wheatstone-Brückenschaltung für jede Achse bilden. Die Hitzdrahtwiderstände ändern ihren Widerstandswert gemäß dem Winkelversatz des Gyrorotors bezüglich Null. Die Kombination der Widerstandsänderungen wird dann in der Brückenschaltung verwendet, um ein elektrisches Signal zu liefern, das direkt proportional zu einem Gyrorotorwinkel- versatz ist.
Die US-A-4,020, 700 beschreibt einen Drehratensensor, der einen von einer Pumpe erzeugten Fluidstrom mit Hitzdrahtsonden abtastet. Die Düse des Drehratensensors, die ein Fluid hin zu einem Paar von temperaturabhängigen Erfassungswiderstandselementen richtet, ist in einem Hauptblock gebildet, der eine Kammer, in der die Erfassungselemente ebenfalls angebracht sind, definiert, wodurch Probleme des Ausrichtens des Strahls bezüglich der Kammer und des Ausrichtens der Erfassungselemente bezüglich der Düse vermindert werden.
Die US-A-5,780,738 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen einer Drehbewegungsrate, die einen Körper umfaßt, der eine Oberfläche mit einem vorstehenden Abschnitt und eine Öffnung durch die Oberfläche, die sich in der Nähe des vorstehenden Abschnitts befindet und durch die ein Fluidstrom entlang einer anfänglichen Stromachse gerichtet ist, definiert. Der vorstehende Abschnitt richtet den Fluidstrom in einen Weg entlang der Oberfläche gemäß dem Coanda-Effekt . Ein erster Flußsensor ist relativ zu dem Körper und in der Nähe zu dem Weg des Fluidstroms entlang der Oberfläche des Körpers befestigt. Der erste Flußsensor erzeugt eine erste Anzeige einer Flußrate eines ersten Abschnittes des Fluidstroms in der Nähe desselben. Ein zweiter Flußsensor ist relativ zu dem Körper und in der Nähe des Weges des Fluidstroms entlang der Oberfläche des Körpers befestigt. Der zweite Flußsensor erzeugt eine zweite Anzeige einer Flußrate eines zweiten Abschnitts des Fluidstroms in der Nähe desselben. Die Drehbewegung des Körpers wird abhängig von der ersten Anzeige und O 01/46701
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der zweiten Anzeige erfaßt.
Die EP 0 328 247 Bl beschreibt einen Winkelgeschwindigkeitsaufnehmer, der ein Ausgangssignal beim Vorliegen einer Differenz zwischen den Ausgangssignalen eines Paares von Wärmefühlern dann erzeugt, wenn der aus einer Gasdüse austretende Gasstrom wegen des Einflusses einer dem Gasstrom erteilten Bewegung mit zu bestimmender aufgeprägter Winkelgeschwindigkeit einen der Wärmefühler mehr bestreicht als den anderen. •
Die EP 0 786 645 A2 beschreibt einen Sensor zum Erfassen einer Drehrate oder einer Drehbeschleunigung mit Hilfe einer kapazitiven Auswertung von 2 bis 4 bewegten bzw. vibrierenden Masse-Paddeln, der in Mikrosystemtechnik ausgeführt ist. Der Sensor zum Erfassen der Drehrate oder der Drehbeschleunigung weist einen Vibrator mit mindestens zwei vibrierenden Massen und Balken zum Tragen der Massen auf. Der Vibrator wird unter Verwendung eines Einkristallsiliziumsubstrats der ( 110)-Kristallebene gebildet, und die zwei Balken verwenden zwei Arten von ( 111 )-Kristallebenen, die senkrecht zu dem Siliziumsubstrat und nicht parallel zueinander sind, als Hauptebenen, und die zwei Balken besitzen eine Flexibilität in einer Richtung, die parallel zu dem Siliziumsubstrat und vertikal zu jeder der ( 111 ) -Kristallebenen ist. Kapazitätsänderungen zwischen den Massen und einer Gruppe von Elektroden werden erfaßt.
Es sind weiter Drehratensensoren bekannt, bei denen die kapazitive Änderung bewegter Massen zu einer festen Masse ausgewertet wird, um die Drehrate zu bestimmen.
Ein Nachteil bekannter Verfahren und Sensoren zum Erfassen einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung besteht darin, daß dieselben beispielsweise bewegte Massen verwenden, die eine empfindliche Aufhängung benötigen.
Ein weiterer Nachteil bekannter Verfahren und Sensoren zum Erfassen einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung besteht darin, daß für die Sensoren ein komplizierter Aufbau, der mit einem hohen Aufwand bzw. hohen Kosten verbunden ist, erforderlich ist.
Ein weiterer Nachteil bekannter Verfahren und Sensoren zum Erfassen einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung besteht darin, daß z. B. bei Sensoren zum Erfassen eines Fluidflusses Vorrichtungen zum Erzeugen eines Fluidstroms, wie z. B. eine Pumpe, notwendig sind, um den Fluidfluß zu messen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensor zum Erfassen einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung zu schaffen, der einen einfachen und robusten Aufbau besitzt.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor zum Erfassen einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Trägheit eines lokal erwärmten Fluids genutzt werden kann, um eine Drehbewegung oder eine Drehbeschleunigung zu erfassen. Dabei wird das Fluid in einem lokalen Bereich durch ein Heizelement auf eine bestimmte Temperatur erwärmt und durch eine Drehbewegung werden der lokal erwärmte Bereich und das Heizelement relativ zueinander bewegt, so daß sich der lokal erwärmte Bereich des Fluids z. B. zu einem zu dem Heizelement benachbarten Sensorelement bewegt, das dadurch eine Temperaturänderung des Fluids und somit eine Bewegung erfaßt. Zur Erfassung einer Drehbewegung oder Drehbeschleunigung liegen das Heizelement und das Sensorelement vorzugsweise auf einem gemeinsamen Kreis um die Drehachse der Drehbewegung oder der Drehbeschleunigung herum.
Ein Vorteil des Sensors der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß derselbe robust, überlastsicher und in jeder Lage O 01/46701
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funktionsfähig ist und keine bewegbaren Masseelemente besitzt.
Ein weiterer Vorteil des Sensors der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß derselbe selbsttestfähig ist.
Ein weiterer Vorteil des Sensors der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß derselbe für moderne Massenfertigungsverfahren, z. B. der Mikrosystemtechnik und Halbleiterlinien, geeignet ist und kostengünstig herstellbar ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine alternative Anordnung des Sensors nach Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines alternativen Heizelements für den Sensor in Fig. 1;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ersatzschaltung für ein Heizelement nach Fig. 3;
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung mit zwei Heizelementen nach Fig. 3;
Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung;
Fig. 6a eine polygonförmige Anordnung entsprechend der Fig. 6;
Fig. 7 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung; O 01/46701 - 6 -
Fig. 7a eine polygonförmige Anordnung entsprechend Fig. 7;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Realisierung des vierten Ausführungsbespiels von Fig. 7;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer alternativen Realisierung des vierten Ausführungsbeispiels von Fig. 7;
Fig. 10 eine schematische Schnittdarstellung einer Anordnung der Heizelemente von Fig. 5, 6, 7, 8 oder 9;
Fig. 11 eine schematische Darstellung der Konvektionswalze der Heizelemente von Fig. 5;
Fig. 12 eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Anordnung des Heizelements von Fig. 5;
Fig. 13 A und B eine Draufsicht und eine Schnittansicht entlang der Linie I-I' eines fünften Ausführungsbei- spiels eines Sensors gemäß der Erfindung; und
Fig. 14 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung. Ein Sensor 100 befindet sich in einem abgeschlossenen, fluidgefüllten Gehäuse oder in einer Kapsel. Der Sensor 100 weist ein Substrat mit einem äußeren Substratbereich 102, der beispielsweise aus Silizium bestehen kann, und einem inneren Substratbereich 104 auf, der vorzugsweise eine Membran oder geschlossene Membran bzw. eine dünne Membran oder geschlossene dünne Membran ist. Die Grenze zwischen dem äußeren Substratbereich 102 und dem inneren Substratbereich 104 ist durch eine Grenzlinie 106 gezeigt. In dem inneren Substratbereich 104, z. B. auf der Membran, ist ein Heizelement 108, das vorzugsweise kreisförmig bzw. kreisbogenförmig ist und alternativ WO
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polygonförmig sein kann und vorzugsweise die Form einer Leiterbahn aufweist, vorgesehen. Das Heizelement 108 besteht vorzugsweise aus NiCrNi und kann alternativ aus Polysilizium, Pt, Alu oder Ni bestehen. Besteht das Heizelement 108 aus einem Material mit einem TK annähernd Null (z.B. NiCrNi), nimmt es bei Anlegen einer Konstantspannung konstante Leistung auf. Dies führt zu einer annähernd konstanten Temperatur-Erhöhung gegenüber Substratbereich 102. Bei anderen Materialien mit definiertem TK läßt sich über den Eigenwiderstand die Temperatur des Heizelementes 108 ermitteln und ggf. nachregeln. In dem inneren Substratbereich 104 sind ferner ein erstes Sensorelement 110 und ein zweites Sensorelement 112 vorgesehen, die vorzugsweise viertelkreisförmige Leiterbahnen sind, die beispielsweise aus Ni und alternativ aus Pt oder Polysilizium bestehen. Das erste und das zweite Sensorelement 110, 112 liegen vorzugsweise auf einem Kreis mit dem Heizelement 108.
Der Sensor 100 weist ferner eine erste Kontaktfläche 114, die mit einer ersten Leiterbahn 116 mit einem ersten Ende des Heizelements 108 verbunden ist, und eine zweite Kontaktfläche 118, die mit einer zweiten Leiterbahn 120 mit einem zweiten Ende des Heizelements 108 verbunden ist, auf. Die erste Kontaktfläche 114, die erste Leiterbahn 116, die zweite Kontaktfläche 118 und die zweite Leiterbahn 120, bestehen vorzugsweise aus einem Metall, wie z. B. Kupfer, Silber, Gold, etc. Zwischen der ersten Kontaktfläche 114 und der zweiten Kontaktfläche 118 ist eine Heizspannung UHeiz über den thermischen Widerstand des Heizelements 108 angelegt.
Der Sensor 100 weist außerdem eine dritte Kontaktfläche 122, die mit einer dritten Leiterbahn 124 verbunden ist, die mit einem ersten Ende des ersten Sensorelements 110 verbunden ist, und eine vierte Kontaktfläche 126, die mit einer vierten Leiterbahn 128 verbunden ist, die mit einem ersten Ende 126 des zweiten Sensorelements 112 verbunden ist, auf. Die dritte Kontaktfläche 122, die dritte Leiterbahn 124, die O 01/46701
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vierte Kontaktfläche 126 und die vierte Leiterbahn 128 bestehen vorzugsweise aus einem Metall, wie z. B. Kupfer, Aluminium, Gold, Silber etc. Eine fünfte Kontaktfläche 130 ist mit einer fünften Leiterbahn 132 verbunden, die sich zu einer Verbindungsstelle zwischen einem zweiten Ende des ersten Sensorelements 110 bzw. des zweiten Sensorelements 112 erstreckt und dieselben verbindet bzw. kontaktiert. Es ist ferner ein erster Widerstand 134, zwischen der dritten Kontaktfläche 122 und einem ersten Meßanschluß 136 zum Messen einer Differenzspannung Uoiff' unc* e^n zweiter Widerstand 138 zwischen dem ersten Meßanschluß 136 und der vierten Kontaktfläche 126, der betragsmäßig gleich dem ersten Widerstand 134 ist, vorgesehen. Ein zweiter Meßanschluß 140 ist weiterhin an der fünften Kontaktfläche 130 vorgesehen, um zwischen dem ersten und dem zweiten Meßanschluß 136, 140 die Differenzspannung UDiff messen zu können. Zwischen der dritten Kontaktfläche 122 und der vierten Kontaktfläche 126 ist eine konstante Spannung Ucons-t- angelegt.
Wie erwähnt, befindet sich der Sensor 100 in einem abgeschlossenen fluidgefüllten Gehäuse, wobei das Fluid mindestens das Heizelement 108 und die Sensorelemente 110 und 112 geschlossen umgibt. Das Heizelement 108 wärmt um sich herum das Fluid, wodurch ein Konvektionsströmungsbereich, durch den ein Isothermenfeld festgelegt wird, erzeugt wird. Wird der Sensor um eine Drehachse bzw. Z-Achse des Koordinatensystems 142 gedreht oder wird das Fluid gedreht, oder wird die Ebene in der der Sensor liegt gekippt, z. B. um die Y-Achse herum, so bewegt sich das Heizelement, z. B. durch eine Trägheit des Fluids bedingt, relativ von dem durch dasselbe erzeugte Isothermenfeld in dem Fluid, um z . B. weitere Isothermenfelder in benachbarten Bereichen zu erzeugen. Bei einer Drehung um die Z-Achse werden dabei sogenannte kreisseg- mentförmige Konvektionswalzen erzeugt (Fig. 11). Bewegt sich nun durch z. B. eine Drehung um die Z-Achse ein Sensorelement 110, 112 in den Bereich einer Konvektionswalze oder in ein Isothermenfeld, so ändert sich, wenn z. B. ein ther- mischer Widerstand als Sensorelement verwendet wird, der Widerstand des Sensorelements, wodurch die Drehbewegung oder die Drehbeschleunigung des Sensors 100 erfaßt werden kann. Sind zwei Sensorelemente 110, 112, wie in Fig. 1, auf einer ersten und einer zweiten Seite des Heizelements vorgesehen, so ist die Drehrichtung durch eine Widerstandsänderung des einen oder des anderen Sensorelements bestimmbar. Bei einer Neigung des Sensors um die Y-Achse oder bei einer Neigung des Sensors um die Y-Achse und gleichzeitiger Drehung um die Z-Achse bewegt sich die Wärme des Isothermenfelds, z. B. durch Aufsteigen, zu einem oder beiden Sensorelementen 110, 112, da die Sensorelemente 110, 112 aus der Ebene der Fig. 1 um die Y-Achse herum auf den Betrachter zu hinausgedreht werden und das Heizelement 108 nach innen geneigt wird. Hier ist sowohl die Neigung um die Y-achse als auch eine gleichzeitige Drehung um die Z-Achse durch eine gleiche oder unterschiedliche Widerstandsänderung der Sensorelemente 110, 112 bestimmbar.
Durch Anlegen einer Heizspannung UHeiz zwischen die erste Kontaktfläche 114 und die zweite Kontaktfläche 118 wird das Heizelement 108 über die Leiterbahn 114, 116 mit Strom versorgt, um dieses zu heizen. Durch das Heizen entsteht um das Heizelement 108 ein erwärmter Bereich bzw. ein Konvektions- bereich, der das Isothermenfeld festlegt. Die Absoluttemperatur des Heizelements 108 wird durch die angelegte Spannung eingestellt. Bei metallischen Heizelementen, wie z. B. aus Aluminium, Pt, Ni, ist der Widerstandswert des Heizelements in erster Näherung linear abhängig von der Temperatur, so daß die Temperatur über den Widerstandswert des Heizelements abgelesen werden kann, der zwischen der ersten Kontaktfläche 110 und der zweiten Kontaktfläche 118 gemessen werden kann. Dies gilt auch für Heizelemente aus Polysilizium.
Die Sensorelemente 110 und 112 sind über die dritte Leiterbahn 124, die fünfte Leiterbahn 132 in einem Abschnitt zwischen dem zweiten Ende des ersten Sensorelements 110 und dem zweiten Ende des zweiten Sensorelements 112, und die vierte Leiterbahn 128 in Reihe geschaltet. Über diese Reihenschaltung ist eine konstante Spannung Uconst zwischen der dritten Kontaktfläche 122 und der vierten Kontaktfläche 126 anlegbar. Bei gleicher Temperatur der Sensorelemente 110, 112 handelt es sich bei der Reihenschaltung um einen symmetrischen Spannungsteiler. Zu diesem Spannungsteiler ist zwischen den Kontaktflächen 122, 126 ein dauerhaft symmetrischer Spannungsteiler aus zwei gleich großen Widerständen 134, 136 parallel geschaltet, der in einer ersten Schleife, die aus der dritten Leiterbahn 124, dem ersten Sensorelement 110, dem ersten und zweiten Meßanschluß 136, 140 und der fünften Leiterbahn 132 besteht, und in einer dazu symmetrischen zweiten Schleife, die aus der vierten Leiterbahn 128, dem zweiten Sensorelement 112, der fünften Leiterbahn 132, dem ersten und dem zweiten Meßanschluß 136, 140 besteht, jeweils die Hälfte der konstanten Spannung UCOnst eingeprägt.
Wird nun das erste Sensorelement 110 in den durch das Heizelement 108 erwärmten Bereich, vorzugsweise eine Konvektionswalze, bewegt, so ändert sich dessen Widerstand, nimmt bei metallisierten Sensorelementen zu, und die Differenzspannung Ußiff zwischen dem ersten Meßanschluß 136 und dem zweiten Meßanschluß 140 wird positiv. Dies zeigt eine Linksdrehung des Sensors 100 um die Drehachse bzw. um die Z-Achse an. Wird aber das zweite Sensorelement 112 in die Konvektionswalze des Heizelements 108 bewegt, so nimmt dessen Widerstand zu und die Differenzspannung UDiff wird negativ. Dies zeigt eine Rechtsdrehung des Sensors an.
Eine Neigung oder Drehung des Senors 100 um die Y-Achse kann dadurch bestimmt werden, daß der Widerstandswert von beiden Sensorelementen 110 und 112 zwischen der dritten Kontaktfläche 122 und der fünften Kontaktfläche 130 bzw. zwischen der vierten Kontaktfläche 126 und der fünften Kontaktfläche 130 gleich zunimmt oder gleich abnimmt, je nach dem, ob die Sensorelemente aus der Y-Ebene der Fig. 1 hinausgedreht oder hineingedreht werden. Eine Neigung des Sensors 100 um die Y-Achse bei gleichzeitiger Drehung um die Z-Achse ist aus der Überlagerung der oben genannten Effekte für die Drehung um die Z-Achse und der Neigung um die Y-Achse bestimmbar, wobei die Neigung um die Y-Achse eine gleiche Veränderung der Widerstände der Sensorelemente 110 und 112, einen Offset, bewirkt, und die Drehung um die Z-Achse mit einem Differenzanteil der Widerstände der Sensorelemente 110 und 112 zur Widerstandsänderung beiträgt.
Mit der Struktur von Fig. 1 können Drehbewegungen und Drehbeschleunigungen und auch Neigungen um eine Achse mit gleichzeitiger Drehung um eine andere Achse und damit auch Querbeschleunigungen gemessen werden. Dabei kann sowohl der Sensor selbst gedreht werden, so daß die Trägheit des Fluids und die Drehung der Sensorelemente 110, 112 zu einem Meßeffekt führen, oder der Sensor 100 kann befestigt sein bzw. feststehend sein und das Fluid wird z. B. durch eine Antriebswelle, einen Propeller etc. in eine drehende Bewegung gebracht, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung eines Sensors 200 nach Fig. 1 in einem Gehäuse 202, das ein Fluid 204 enthält. Der Sensor 200 ist auf einem Träger 206 befestigt. Über dem Sensor 200 dreht sich eine Welle 208, an der z. B. ein Propeller, ein Stössel 210 etc. befestigt sein kann. Die Welle dreht sich um ihre Achse und bewirkt eine Drehbewegung oder Drehbeschleunigung des Fluids 204, die durch den Sensor 200 gemessen werden kann. Um die Welle 208 zu lagern und um zu verhindern, daß das Fluid 204 aus dem Gehäuseabschnitt, in dem sich der Sensor 200 befindet, austritt, ist eine Lager- und Abdichtungs-Struktur 212 um die Welle 208 vorgesehen, die die Welle gegenüber dem Gehäuse 202 abdichtet.
Zurückkehrend zu Fig. 1 kann die Temperatur des Heizelements 108 lediglich absolut eingestellt werden, d. h. es ist nicht erfaßbar, wie stark sich die Umgebung des Heizelements 108 bei einer Messung der Drehbewegung oder der Drehbeschleuni- Λ „. O 01
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gung mit der Zeit erwärmt, und ob der Temperaturunterschied des Heizelements 108 zu der Umgebung, dem Fluid, noch ausreichend groß ist, um eine gute Empfindlichkeit des Sensors 100 zu ermöglichen. Dies kann z. B. verbessert werden, indem als Heizelement 108 eine Reihe von Thermoelementen verwendet wird.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines alternativen Heizelements für den Sensor von Fig. 1. Das Heizelement 108 von Fig. 1 wird darin durch zwei Reihenschaltungen von Thermoelementen ersetzt. Ein Sensor 300 weist einen ersten Substratbereich 302, einen zweiten Substratbereich 304, deren Grenze durch eine Grenzlinie 306 angedeutet ist, und einen dritten Substratbereich 308, dessen Grenze zu dem zweiten Substratbereich 304 durch eine Grenzlinie 310 angedeutet ist, auf. Der erste und der zweite Substratbereich 302, 304 bestehen vorzugsweise aus einem Silizium-Substrat, und der dritte Substratbereich 308 ist vorzugsweise eine kreisförmige Öffnung in dem zweiten Substratbereich 304 oder eine kreisförmige Membran, wie z. B. eine dünne Membran, die über der Öffnung in dem zweiten Substratbereich 304 angeordnet ist.
Auf dem ersten Substratbereich 302 und dem zweiten Substratbereich 304 sind Kontakt- und Leiter-Strukturen für ein Heizelement 312 vorgesehen. Diese Kontakt- und Leiter-Strukturen sind mit Thermoelementen verbunden. Eine erste Kontakt- und Leiter-Struktur ist in einem Bereich links der X- Achse des Koordinatensystems 301 vorgesehen und weist eine erste Kontaktfläche 314a, eine zweite Kontaktfläche 316 und eine dritte und vierte Kontaktfläche 318a, 320a auf. Die Kontaktflächen bestehen vorzugsweise aus einer gut leitfähigen Kontaktschicht, wie z. B. aus Gold, Silber, Kupfer, etc. Eine erste Leiterbahn 322a, eine zweite Leiterbahn 324a, eine dritte Leiterbahn 326a sind jeweils mit einem ersten Ende mit einem ersten Arm eines jeweiligen Thermoelements 328a, 330a, 332a verbunden, der jeweils aus dem gleichen Material wie die jeweilige Leiterbahn besteht. Die Leiterbahnen 322a, 324a, 326a und die ersten Arme bestehen aus einem ersten Material, das z. B. Ni , Pt, W, Cu, Fe, NiCr, Si und CuNi oder ein dotierter Halbleiter sein kann. Die erste, zweite und dritte Leiterbahn 322a, 324a, 326a sind mit ihrem jeweiligen zweiten Ende mit der jeweiligen Kontaktfläche 314a, 318a, 320a verbunden. Eine vierte Leiterbahn 334a, eine fünfte Leiterbahn 336a und eine sechste Leiterbahn 338 sind jeweils mit einem ersten Ende mit einem zweiten Arm der jeweiligen Thermoelemente 328a, 330a, 332a verbunden, der jeweils aus dem gleichen Material wie die jeweiligen Leiterbahn besteht. Die Leiterbahnen 334a, 336a, 338 und die zweiten Arme der Thermoelemente 328a, 330a, 332a bestehen aus einem zweiten Material, das sich von dem ersten Material der Leiterbahnen 322a, 324a, 326a unterscheidet und beispielsweise Ni, Pt, W, Cu, Fe, NiCr, Si, CuNi oder ein dotierter Halbleiter sein kann. Die Leiterbahnen 334a, 336a, 338 sind mit ihrem jeweiligen zweiten Ende mit der jeweiligen Kontaktfläche 318a, 320a und 316 verbunden. Durch die Leiterbahnen 322a, 334a, 324a, 336a, 326a und 338 und die Kontaktflächen 314a, 318a, 320a und 316 werden die Thermoelemente 328a, 330a, 332a in Reihe geschaltet, um eine erste Reihenschaltung von Thermoelementen zu bilden.
Spiegelsymmetrisch zu der X-Achse des Koordinatensystems 301 ist rechts von der X-Achse eine zweite Kontakt- und Leiter- Struktur mit Thermoelementen vorgesehen. Kontaktflächen 314b 318b und 320b dieser zweiten Kontakt- und Leiterstruktur entsprechen den Kontaktflächen 314a, 318a und 320a der bereits beschriebenen ersten Kontakt- und Leiter-Struktur, und Leiterbahnen 322b, 324b, 326b, 334b und 336b entsprechen den Leiterbahnen 322a, 324a, 326a, 334a und 336a der bereits beschriebenen ersten Kontakt- und Leiter-Struktur. Es wird eine zweite Reihenschaltung von Thermoelementen 328b, 330b, 332b mit diesen Leiterbahnen und Kontaktflächen gebildet, die bezüglich der Leiterbahn 338 und der Kontaktfläche 316 entgegengesetzt zu der ersten Reihenschaltung von Thermoelementen geschaltet bzw. gepolt ist, da die Anordnung der Arme der Thermoelemente entgegengesetzt zu derselben der ersten O 01/46701
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Reihenschaltung von Thermoelementen ist. Die ersten und die zweiten Arme der Thermoelemente 328a, 330a, 332a, 328b, 330b, 332b sind an einem jeweiligen spitzen Endpunkt bzw. einer Verbindungsstelle miteinander verbunden. Diese Endpunkte liegen vorzugsweise auf einem gemeinsamen Kreisbogen 340 und bilden einzelne Heizstellen des Heizelements 312.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ersatzschaltung 400 für ein Heizelement 312 nach Fig. 3 und die Beschaltung dieses Heizelements. Die Kontaktflächen 414a, 414b und 416 entsprechen den Kontaktflächen 314a, 314b und 316 in Fig. 3. Der linke Teil 428a der Leiterbahn 428 entspricht den ersten Armen der Thermoelemente 328a, 330a, 332a und den zugehörigen Leiterbahnen 322a, 324a, 326a in Fig. 3 und der rechte Teil 428b der Leiterbahn 428 entspricht den ersten Armen der Thermoelemente 328b, 330b, 332b und den zugehörigen Leiterbahnen 322b, 324b, 326b in Fig. 3. Die Leiterbahn 428 besteht wie die obigen Leiterbahnen von Fig. 5 ebenfalls aus einem ersten Material, vorzugsweise Konstanten . Die Leiterbahn 438 in Fig. 4 entspricht den Leiterbahnen 334a, 336a, 338, 334b und 336b in Fig. 3 und besteht ebenfalls aus einem zweiten Material, das sich von dem ersten Material unterscheidet, und vorzugsweise Kupfer ist. Die Klemmen 442, 444 und 446 entsprechen den Klemmen 342, 344 und 346 in Fig. 3. An der Klemme 442 und der Klemme 446 sind gleiche Wechselspannungen zum Heizen der Thermoelemente angelegt. An der Klemme 444 und einer Klemme 448 eines symmetrischen Übertragers 450 wird die Thermospannung UTH abgegriffen. Die Wechselspannungen an den Klemmen 442, 446 werden vorzugsweise durch den symmetrisch geteilten Übertrager 450 geliefert.
Anhand von Fig. 3 und 4 wird nun die Funktion des Heizelements von Fig. 3 beschrieben. An der Berührungsstelle bzw. Verbindungsstelle zwischen zwei unterschiedlichen Metallen bildet sich eine Thermospannung, da die Metalle unterschiedliche Austrittsarbeiten der Elektronen besitzen. In dem Fall von Fig. 4 befinden sich die Kontaktflächen 414a, 414b und 416 auf einer ersten Temperatur, während sich der Verbindungsbereich bzw. die Verbindungsstelle 452 zwischen der Leiterbahn 438 und der Leiterbahn 428 auf einer zweiten vorzugsweise höheren Temperatur befindet. Die Verbindungsstelle 452 entspricht den Spitzen der Heizelemente von Fig. 3. Die Thermospannung UTH bestimmt sich nun aus einer Materialkonstante, die den Übergang von dem Material der Leiterbahn 428, dem ersten Material, zu dem Material der Leiterbahn 438, dem zweiten Material, charakterisiert, multipliziert mit der Temperaturdifferenz aus der Temperatur an der Verbindungsstelle 452 und der Temperatur der Kontaktflächen 414a, 416, 414b. Die Materialkonstante beschreibt hier beispielsweise den Übergang zwischen Konstantan und Kupfer bzw. die lineare Abhängigkeit der Thermospannung UTH zwischen zwei Materialien von der Temperaturdifferenz zwischen diesen Materialien.
Da nun die Thermospannung die Temperturdifferenz der Verbindungsstelle 450, d. h. hier der Heizstelle, zu der Umgebung beschreibt, kann selbst bei einer Erwärmung des den Sensor umgebenden Fluids sichergestellt werden, daß durch stärkeres Heizen des Thermoelements oder der Thermoelemente bzw. der Spitze desselben oder den Spitzen derselben eine hohe Temperaturdifferenz der erzeugten Konvektionswalze gegenüber der restlichen Umgebung beibehalten wird und eine hohe Meßempfindlichkeit bestehen bleibt. Dies ist ein Vorteil gegenüber dem Heizelement 108 von Fig. 1, das lediglich auf eine Absoluttemperatur eingestellt werden kann. Die Temperaturdifferenz des Heizeelements gegenüber der Umgebung kann nun folglich mit der Wechselspannung des Übertragers 450 abhängig von der Thermospannung UTH an den Klemmen 444, 448 eingestellt bzw. nachgeregelt werden. Ein weiterer Vorteil der Thermoelemente des Heizelments in Fig. 4 besteht in ihrer geringeren Trägheit im Vergleich zu dem Widerstandsheizer von Fig. 1.
Zurückkehrend zu Fig. 3 bilden die Thermoelemente der Reihenschaltungen von Thermoelementen ein entlang des Kreises 340 sich erstreckendes Heizelement, das an den Berührungsstellen bzw. Verbindungsstellen der ersten und zweiten Arme der Thermoelemente 328a, 330a, 332a, 328b, 330b, 332b heizbar ist, womit eine gleichmäßige Erwärmung über den gesamten Bereich des Heizelements 312 ermöglicht wird. Die Reihenschaltungen der Thermoelemente werden auch Thermopiles genannt.
Es sei bemerkt, daß anstelle der in Fig. 1 gezeigten Sensorelemente 110, 112 ebenfalls Thermopiles verwendet werden können, um über die Thermospannung der Thermoelemente die Temperatur über einen bestimmten Raumbereich zu erfassen, wobei die Thermopiles bevorzugt mit einer Differenzschaltung von zwei oder mehreren Thermopiles realisiert werden.
Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensors 500 gemäß der Erfindung, der zwei Heizelemente nach Fig. 3 verwendet. Es sind zwei Heizelemente 502, 504 auf einem Kreis 506 um die Z-Achse bzw. Drehachse um 180° zueinander versetzt angeordnet. Dieser Kreis 506 beschreibt beispielsweise eine Öffnung in einem Substrat, über der die Heizelemente 502, 504 angeordnet sind, oder eine kreisförmige Membran auf der die Heizelemente 502, 504 angeordnet sind, um dort ein Fluid zu heizen, das den Sensor 500 umgibt. Die Heizelemente 502, 504 bestehen jeweils aus zwei gegeneinander geschalteten Reihenschaltungen 502a, 502b bzw. 504a, 504b von Thermoelementen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die einzelnen Enden der Thermoelemente sind dabei auf einem Kreis 508 über z. B. der Membran angeordnet, um das Fluid dort auf dieser Kreislinie zu heizen. Durch jedes Heizelement wird wiederum ein Isothermenfeld erzeugt, das sich bei einer Drehbewegung oder Drehbeschleunigung des Sensors 500 um die Drehachse bzw. Z-Achse bzw. bei einer Drehbewegung oder Drehbeschleunigung des Fluids relativ zu dem jeweiligen Heizelement bewegt und durch z. B. ein auf dem Kreis 506 benachbartes Sensorelement, dessen empfindlicher Bereich ebenfalls entlang des Kreises 508 angeordnet ist, erfaßt wird. Es können z. B. zwei um 180° versetzte Sensorelemente, die vorzugsweise Widerstandsheizelemente nach Fig. 1 oder auch Reihenschaltungen von Thermoelementen nach Fig. 3 sind und die eine ähnliche Ausdehnung wie die Heizelemente besitzen, benachbart zu beiden Seiten der Heizelemente 502, 504 angeordnet werden. Dreht sich nun z. B. der Sensor um die Z- Achse, so wird entweder durch den einen oder den anderen eine Widerstandsänderung bzw. eine Temperaturänderung erfaßt, und je nach dem, welches Sensorelement anspricht, auch die Drehrichtung erfaßt. Mit einer derartigen Anordnung kann beispielsweise auch die Drehung des Sensors 500 um die X- Achse erfaßt werden, wobei lediglich immer ein Sensorelement auf dem Kreis 506 links oder rechts der Heizelemente 502, 504 in Fig. 5 gewärmt wird und damit die Richtung, Rate die Beschleunigung der Drehung angeben kann.
In Fig. 5 ist ferner die Verschaltung des Sensors 500 gezeigt. Wie in Fig. 4 gezeigt, sind an die Heizelemente 502, 504 jeweils zwei gleiche Wechselspannungen durch einen symmetrischen Übertrager 510 angelegt. An Klemmen 512, 514 kann wiederum eine jeweilige Thermospannung der einzelnen Heizelemente 502, 504 abgenommen werden, mit der die relative Temperatur des Fluids bzw. der Isothermenfelder genauer der Spitzen der Thermoelemente, gegenüber der Umgebung, z. B. außerhalb des Kreises 506, über die Wechselspannungen gesteuert werden kann. Dies ist bereits oben zu Fig. 3 und 4 beschrieben.
Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung. Ein Sensor 600 umfaßt vier Heizelemente, die gleichzeitig Sensorelemente sind, bzw. vier Heiz/Sensor-Elemente 604, 606, 608, 610, die auf einem Substrat 602 entlang eines Kreises, z. B. um eine Öffnung in dem Substrat 602 oder um eine kreisförmige Membran über der Öffnung etc., um jeweils 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Die Heiz/Sensor-Elemente 604 bis 610 sind vorzugsweise Widerstandsheizer, wie das Heizelement 108 in Fig. 1, oder Thermoelemente oder Reihenschaltungen von Thermoelementen, wie das Heizelement 312 in Fig. 3. Die Heiz/Sensor-Elemente O
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604-610 erzeugen jeweils Isothermenfelder bzw. Konvektionswalzen durch Stromdurchfluß durch die Heiz- bzw. Meßwiderstände bzw. durch Wechselstrom-Beheizung der Thermoelemente, und bei einer Drehung bzw. Beschleunigung des Sensors bewegt sich jeweils ein Heiz/Sensor-Element relativ zu seiner erzeugten Konvektionswalze, um sich in kühlere Bereiche zu bewegen, wobei es selber dadurch abgekühlt wird. Diese Abkühlung ist durch die Heizwiderstände durch eine Widerstandsänderung und durch die Thermoelemente durch eine Änderung der Thermospannung meßbar. Damit ist eine Drehbewegung und eine Drehbeschleunigung erfaßbar. Fig. 6 zeigt bei den Heiz/Sensor-Elementen 604-610 in gestrichelten Linien die jeweils bei einer Drehung des Sensors 600 nach rechts hin- terlassenen Konvektionswalzen (Fig. 11) der Heizelemente 604-610. Werden Heizwiderstände als Heiz/Sensor-Elemente verwendet, so werden dieselben bei einer Abkühlung durch Drehung auf die vorherige Absoluttemperatur nachgeregelt, und werden Thermoelemente Heiz/Sensor-Elemente verwendet, so werden dieselben auf die vorherige Relativtemperatur zu der Umgebung nachgeregelt.
Mit einer Struktur nach Fig. 6 mit Heiz/Sensor-Elementen 604-610 ist nur das Auftreten einer Drehung jedoch nicht die Drehrichtung bestimmbar, da die Sensoren diese in sich nicht erfassen können. Dies ist nur mit Thermoelementen nach Fig. 3 möglich, wenn die Thermospannungen zwischen den Kontaktflächen 342 und 344 bzw. 344 und 346 separat gemessen werden. Drehungen um die X-Achse und die Y-Achse sind jedoch mit dem Sensor 600 erfaßbar, da sich die Konvektionswalzen bei einer Neigung um eine dieser Achsen durch Konvektion, Aufsteigen der Wärme, von den Heiz/Sensor-Elementen wegbewegen bzw. zu denselben von anderen Heiz/Sensorelementen hinbewegen und eine Temperaturänderung nach oben oder unten bewirken. Bei einer Neigung um die X-Achse, bei der beispielsweise das Heiz/Sensor-Element 610 aus der Fig. 6 gedreht wird, bewegt sich die erzeugte Wärme des Heiz/Sensor-Elements 606 von diesem zu dem Heiz/Sensor-Element 610, wobei das Heiz/Sensor-Element 606 abgekühlt und das Heiz/Sensor- - 19 -
Element 610 zunächst abgekühlt und dann gewärmt wird. Es ist also um die X-Achse und die Y-Achse sowohl eine Bestimmung des Auftretens einer Drehung als auch die Bestimmung der Drehrichtung dieser Drehung möglich.
Fig. 6a zeigt eine polygonförmige Anordnung entsprechend der Fig. 6, wobei die Elemente 604 bis 610 aus Widerstandsbahnen oder Thermoelementen in Reihe bestehen können. Auch hier ist es möglich, die Drehrichtung zu bestimmen, wenn zwei gegenüberliegende Elemente (z.B. 604 bis 608) abwechselnd geheizt werden, und die jeweils anderen Elemente (z.B. 606 bis 610) als Sensoren genutzt werden. Die Funktion ist ähnlich wie die anhand von Fig. 1 beschriebene.
Fig. 7 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung. Ähnlich wie bei dem Sensor von Fig. 6 sind bei einem Sensor 700 vier Heizelemente 704, 706, 708 und 710 vorzugsweise entlang einer Kreislinie auf einem Substrat 702 um jeweils 90° zueinander versetzt angeordnet. Jedes Heizelement weist entlang der Kreislinie eine erste und eine zweite Seite auf. Benachbart zu jeder dieser Seiten eines jeweiligen Heizelements 704-710 ist ein jeweiliges Sensorelement 712r bzw. 7121, 714r bzw. 7141, 716r bzw. 7161 und 718r bzw. 7181 entlang der Kreislinie angeordnet.
Die Heizelemente 704-710 erzeugen wiederum eine Konvektionswalze (Fig. 11) um sich herum, die bei einer Drehung durch die benachbarten Sensorelemente 712-718 erfaßt werden kann. Durch die rechtsseitige und linksseitige Anordnung der Sensorelemente 712-718 kann ferner die Drehrichtung erfaßt werden, da z. B. bei einer Rechtsdrehung des Sensors 700 um die Z-Achse die Sensoren 712r-718r von der jeweiligen Konvektionswalze des jeweiligen Heizelements 704-710 berührt werden und sich erwärmen, und damit die Drehung oder Drehbeschleunigung nach rechts erfaßt werden kann. Gleiches gilt für eine Drehung nach links, bei der die Sensoren 7121-7181 von der jeweiligen Konvektionswalze erfaßt werden. Ein Vorteil besteht dabei darin, daß entweder alle Sensoren 712r- O 01/46701
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718r oder alle Sensoren 7121-7181 die Rechts- oder Linksdrehung erfassen, und damit die Empfindlichkeit durch eine höhere Anzahl von Meßsignalen für eine jeweilige Drehrichtung erheblich gesteigert ist. Die Struktur nach Fig. 7 ermöglicht neben der Erfassung einer Drehung um die Z-Achse außerdem die Erfassung von Neigungen bzw. Drehungen um die X- und Y-Achse, was im folgenden näher erläutert ist.
Fig. 7a zeigt eine polygonförmige Anordnung entsprechend Fig. 7. Um eine Reduzierung der Außenabmessung des Sensors zu erreichen, sind Heizer und Sensoren jedoch in zwei Kreisbahnen bzw. Polygonzügen mit unterschiedlichem Radius angeordnet. Die Sensoren 712r, 7121, 714r, 7141, 716r, 7161 und 718r, 7181 sind dabei in einer Bahn mit Mittelzapfung 712, 714, 716 und 718 zusammengefaßt. Da nicht das Zentrum, sondern der Außenbereich der Konvektionswalze von den Sensoren erfaßt wird, sind die Strukturen freitragend oder auf einer durchgebrochenen Membran vorteilhaft, um die Massenträgheit soweit wie möglich zu verringern. Heizer und Sensoren können wiederum aus Widerstandsbahnen oder Thermoelementen in Reihe oder auch gemischt verwendet werden.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Realisierung des vierten Ausführungsbeispiels nach Fig. 7. Wie in Fig. 7 sind auf einem Substrat 802 vier Heizelemente 804, 806, 808, 810 bzw. 804 - 810 vorzugsweise auf einer Kreislinie 90° zueinander versetzt angeordnet. Jedes Heizelement weist in Richtung der Kreislinie jeweils eine erste und eine entgegengesetzte zweite Seite bzw. ein erstes und ein zweites Ende auf, zu denen benachbart jeweilige Sensorelemente 812r bzw. 8121, 814r bzw. 8141, 816r bzw. 8161 und 818r bzw. 8181 angeordnet sind. Die Heizelemente 804-810 sind vorzugsweise Widerstandsheizer aus NiCrNi und können alternativ Thermoelemente bzw. Reihenschaltungen von Thermoelementen nach Fig. 3 sein. Die Sensorelemente 812-818 sind Reihenschaltungen aus Thermoelementen bzw. Thermopiles, bei denen Thermoelemente, die aus jeweils zwei Armen 820, 822 aus unterschiedlichen metallischen Materialien, wie z. B. Pt, Ni, W, Cu, Fe, NiCr Si, CuNi, bestehen, verwendet werden, bei denen die Temperatur an den Verbindungsstellen 824 dieser Arme 820, 822 bzw. den Spitzen der Thermoelemente gemessen wird. Die Arme der Thermoelemente eines Sensorelements sind derart gestaltet, daß dieselben gestaffelt nebeneinander entlang der Kreislinie mit unterschiedlichen Längen der Arme angeordnet sind, wie es in Fig. 8 an dem Sensorelement 812r sichtbar ist. Das Substrat 802 ist in zwei Abschnitte, einen äußeren Abschnitt 826 und einen inneren Abschnitt 828, durch eine Linie 830 unterteilt dargestellt. Der äußere Abschnitt 826 ist vorzugsweise ein starres Substrat, das z. B. aus Silizium etc. besteht. Der innere Abschnitt 828 des Substrats 802 kann beispielsweise ebenfalls ein starrer Abschnitt z. B. aus Silizium sein. Auf diesem inneren Abschnitt 828 des Substrats 802 sind die Sensorelemente und die Heizelemente angeordnet. Der innere Abschnitt 828 kann ferner eine Öffnung aufweisen oder eine Öffnung in dem äußeren Abschnitt 826 des Substrats 802 sein, über der die Heizelemente und die Sensorelemente freitragend angeordnet sind, oder der innere Abschnitt 828 kann eine Membran aufweisen oder eine Membran sein, die über einer Öffnung in dem inneren Abschnitt 828 oder über dem inneren Abschnitt 828 angeordnet ist, auf der die Heizelemente und Sensorelemente angebracht sind.
Die Heizelemente 804-810 werden über einen Strom abhängig von dem gemessenen Widerstand des jeweiligen Heizelements bzw. Heizwiderstands auf eine Absoluttemperatur geregelt. Die Sensorelemente 812-818 besitzen jeweils zwei Klemmen (+, -), an denen die jeweilige Thermospannung U^2r' u121' u14r' ... des jeweiligen Sensorelements 812r, 8121, 814r, ... abgegriffen werden kann und womit eine Bestimmung der relativen Temperatur zu der Umgebung ermöglicht wird, und zusätzlich ermöglicht wird, die Temperatur der benachbarten Heizelemente 804-810 nicht nur absolut sondern auch relativ zu steuern.
Die Sensorelemente lassen sich jetzt auf verschiedene Weisen miteinander verschalten, um verschiedene Drehrichtungen zu erfassen. Zur Erfassung einer Drehrichtung bzw. Drehbeschleunigung des Sensors von Fig. 8 um die Z-Achse wird die Differenz Delta(Uz) aus der Summe von allen Meßsignalen bzw. Thermospannungen U^r' u14r' u16r' u18r der Sensorelemente 812r, 814r, 816r, 818r auf der linken Seite jedes Heizelements 804, 806, 808, 810 bzw. 804-810 und aus der Summe von allen Meßsignalen bzw. Thermospannungen 0^21^ u141' u161' ü181 bzw. U12I - U181 der Sensorelemente 8121, 8141, 8161, 8181 bzw. 8121-8181 auf der rechten Seite jedes Heizelements 804-810 gebildet.
Delta(Uz) = (U12r + U14r + U16r + U18r) - (U12ι + U141 + u161 + "181)
(1)
Diese Differenz stellt, wenn sie positiv ist, eine Rechtsdrehung des Sensors 800, und wenn sie negativ ist, eine Linksdrehung des Sensors 800 um die Z-Achse dar. Mit diesem Signal sind sowohl Drehbewegungen als auch Drehbeschleunigungen erfaßbar. Zur Erfassung einer Drehung bzw. Neigung des Sensors von Fig. 8 um die X-Achse wird die Differenz Delta(Ux) aus der Summe der Meßsignale bzw. der Thermospannungen U^4r und U1 1 der Sensorelemente 814r und 8141 und aus der Summe der Meßsignale bzw. der Thermospannungen U^gl und U^gr der Sensorelemente 8181 und 818r gebildet.
Delta(Ux) = (U14r + U141) - (U181 + ü18r) (2)
Diese Differenz stellt beispielsweise, wenn sie positiv ist, eine positive Drehung um die X-Achse (Rechtsschraube in X- Richtung), und wenn sie negativ ist, eine negative Drehung des Sensors um die X-Achse in Fig. 8 dar. Zur Erfassung einer Drehbewegung bzw. Neigung des Sensors von Fig. 8 um die Y-Achse wird die Differenz Delta(Uy) aus der Summe der Meßsignale bzw. der Thermospannungen U^2r und u121 der Sen_ O 01/46701
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sorelemente 812r, 8121 und aus der Summe der Meßsignale bzw. der Thermospannungen U^gi und U^j- der Sensorelemente 8161, 816r gebildet.
Delta(Uy) = (U12r + U121) - (U161 + U16r) (3)
Diese Differenz stellt beispielsweise, wenn sie positiv ist, eine positive Drehung des Sensors 800 um die Y-Achse, und wenn sie negativ ist, eine negative Drehung des Sensors 800 um die Y-Achse in Fig. 8 dar. Es wird hier jeweils oben davon ausgegangen, daß die Thermospannung durch Erwärmung bei einem Thermoelement als Sensorelement ansteigt. Hier bedeutet dies, daß z. B. bei einer Rechtsdrehung des Sensors um die Y-Achse die Thermoelemente 812r, 8121 aus der Ebene der Fig. 8 hinausgedreht werden, wobei die Wärme des Heizelements 808 nach "oben" zu den Thermoelementen 812r, 8121 steigt, die Thermoelemente 8161, 816r also etwas abkühlen und deren Thermospannung sinkt, und die Thermoelemente 812r, 8121 durch die ansteigende Wärme des Heizelements 808 gewärmt werden, so daß deren Temperatur bzw. Thermospannung steigt. Somit entsteht eine positive Differenzspannung Delta(Uy), die eine positive Drehung um die Y-Achse anzeigt. Aus den Drehungen um die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse lassen sich beispielsweise mit der Struktur von Fig. 8 auch Querbeschleunigungen erfassen, wenn die Ergebnisse der Gleichungen (1), (2) und (3) geeignet verkoppelt werden.
Bei den Strukturen von Fig. 7 bzw. Fig. 8 kann ferner ein Selbsttest des Sensors durchgeführt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, beispielsweise jedes Heizelement 804-810 einzeln für sich oder alle Heizelemente zusammen zu heizen bzw. zu erwärmen und die Reaktion der direkt benachbarten oder auch von entfernt liegenden Sensorelementen 812r, 8121, 814r, 8141, ... zu beobachten, wobei ein bestimmtes Nennverhalten bei ordnungsgemäßer Funktion des Sensors als Vergleich dient. Dabei können z. B. die Heizelemente einzeln oder alle mit einem Wechselsignal, vorzugsweise einem Rechtecksignal, belegt werden, und das Temperaturanstiegsverhai- ten von benachbarten Sensorelementen bei hohem Rechtecksignal (Heizelement Ein) und das Temperaturabfallverhalten bei niedrigem Rechtecksignal (Heizelement Aus) können beobachtet werden, um die Funktion des Sensorelements oder auch daraus des Heizelements oder der Heizelemente zu prüfen. Dies kann z. B. aus dem Ansprechverhalten oder der Ansprechzeit von benachbarten Sensorelementen auf eine Erwärmung oder ein Einschalten eines Heizelements abgeleitet werden.
Eine weitere Möglichkeit eines Selbsttests besteht in einem zusätzlichen Heizelement, das benachbart zu einem jeweiligen Sensorelement angeordnet ist, um das Ansprechverhalten desselben zu testen, indem eine vorbestimmte Heizkurve angelegt wird (Rechtecksignal) und die Reaktion des Sensorelements darauf geprüft wird. Wahlweise kann dieses zusätzliche Heizelement auch mit den vorhandenen benachbarten Heizelementen kombiniert ein- und ausgeschaltet werden, um eine Reaktion des Sensorelements zu prüfen.
Ein Selbsttest wird vorzugsweise bei fehlender Drehbeschleunigung bzw. Drehbewegung des Sensors durchgeführt, um beispielsweise ein vorgegebenes Nennverhalten mit dem Sensorverhalten zu vergleichen. Ist jedoch der Sensor einer Drehbewegung oder Drehbeschleunigung ausgesetzt, so kann ein Selbsttest beispielsweise durch eine der vorhandenen Heizspannung überlagerte Spannung, einen Offset, der eine überlagerte nachprüfbare Reaktion des Sensorelements bewirkt, durchgeführt werden.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Realisierung des vierten Ausführungsbeispiels nach Fig. 7. Ein Sensor weist ein Substrat 902 auf, das in einem äußeren Abschnitt 926 und in einem inneren Abschnitt 928 durch eine Linie 930 geteilt dargestellt ist. Das Substrat 900 kann wie zu Fig. 8 beschrieben, gestaltet sein. Wie in Fig. 8 sind Heizelemente 904-910 und dazu jeweils benachbarte Sensorelemente 912r bzw. 9121, 914r bzw. 9141, 916r bzw. 9161 und 918r bzw. 9181 auf dem Substrat 902 angeordnet. Die O 01/4
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Heizelemente 904-91C und die Sensorelemente 912-918 sind nun vorzugsweise in einer Polygonform angeordnet, was eine vereinfachte Herstellung der Heizelemente und Sensorelemente gegenüber dem vor allem aufwendigeren kreisförmigen Sensorelementen (Thermoelementen) von Fig. 8 ermöglicht. Im Gegensatz zu Fig. 8 sind die Sensorelemente 912-918 nun Meßwiderstände, die vorzugsweise aus Ni bestehen und die Heizelemente 904-910 sind Meßwiderstände, die vorzugsweise aus NiCrNi (Konstantan) bestehen. Alternativ dazu können die Meßwiderstände der Sensorelemente und Heizelemente ferner aus Polysilizium bestehen.
Bei einer Alternative eines Sensors nach Fig. 9 können die Meßwiderstände der Sensorelemente 912-918 aktiv auf eine zweite niedrigere Temperatur als die Temperatur der Heizelemente 904-910 geregelt werden, wodurch dann durch eine Leistungsregelung der Sensorelemente eine Drehbeschleunigungsmessung erfolgen kann. Das Regeln der Sensorelemente auf eine niedrigere Temperatur erlaubt auch eine höhere Meßempfindlichkeit.
Fig. 10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Anordnung der Heizelemente von z. B. Fig. 5. Ein Sensor 1000 weist ein Substrat 1002 auf, in dem eine Öffnung 1004 vorgesehen ist. Über dieser Öffnung 1004 sind z. B. zwei Spitzen 1010, 1012 von Thermoelementen 1006, 1008, wie z. B. der Reihenschaltungen 502, 504 von Thermoelementen in Fig. 5, die beispielsweise eine Kontakt- und Leiter-Struktur wie in Fig. 3 aufweisen, angeordnet bzw. freitragend angeordnet. Die Thermoelemente 1006, 1008 werden, wie in Fig. 5, als Heizelemente verwendet, und es bildet sich folglich um die jeweilige Spitze ein kerzenförmiges Isothermenfeld 1014, 1016 mit einzelnen Isothermen. Die Kerzenform resultiert aus dem Steigen der Wärme nach oben in der Richtung der Z-Achse. Wie beispielsweise in den Fig. 7, 8 und 9 können benachbart zu den Heizelementen Sensorelemente angeordnet sein, die bei einer Drehung des Sensors bzw. des Fluids um die Z-Achse das von den Heizelementen erzeugte Isothermenfeld berühren und - 26 -
dadurch erwärmt werden.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung der Konvektionswalzen der Heizelemente von Fig. 10. Durch die Drehung der einzelnen Heizelemente 1010, 1012 in Fig. 10 um die Z-Achse werden Hüllvolumen durch die Isothermenfelder beschrieben, die üblicherweise als Konvektionswalzen 1102, 1104 bezeichnet werden. Die Konvektionswalzen 1102, 1104 beschreiben eine Kreisform, die durch einen Linie 1106 angedeutet ist. Wird ein Sensor bewegt, bewegen sich nicht nur die Heizelemente und erzeugen die Konvektionswalzen, sondern Sensorelemente treten in die Konvektionswalzen ein und werden erwärmt, was den Meßeffekt der vorliegenden Erfindung bestimmt.
Fig. 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Anordnung der Heizelementen von beispielsweise Fig. 5. Im Gegensatz zu Fig. 10 sind die Heizelemente nicht freitragend angeordnet. Der Sensor 1200 in Fig. 12 weist ein Substrat 1202 mit einer Öffnung 1204 auf, über der ein Trägerelement, wie vorzugsweise eine dünne Membran 1205, die eine niedrige Wärmekapazität aufweist, angeordnet ist, die die Öffnung 1204 verschließt. Auf dieser Membran sind beispielsweise Thermoelemente 1206 und 1208 angeordnet, die jeweilige heizende Spitzen 1210 und 1212 aufweisen, wie es z. B. zu Fig. 10 beschrieben ist. Diese Thermoelemente erzeugen ebenfalls Isothermenfelder 1214 und 1216, die allerdings nicht stark in die Membran eindringen, so daß sich die Isothermenfelder 1214, 1216 etwas von den Isothermenfeldern 1014, 1016 von Fig. 10 unterscheiden. Bei einer Drehung um die Z-Achse bilden die Heizer ebenfalls Konvektionswalzen, wie sie schematisch in Fig. 11 dargestellt sind.
Fig. 13A und 13B zeigen in Draufsicht und Schnittansicht ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Sensoren zeigen Fig. 13A und 13B einen Sensor, bei dem die Heizelemente und die Sensorelemente übereinander angeordnet sind. Auf ei- - 27 -
nem Substrat 1302 ist eine Membran 1306 über einer Öffnung 1304 in dem Substrat 1302 vorgesehen. Auf diese Membran 1306 ist ein Heizelement 1308, vorzugsweise ein Widerstandsheizer, aufgebracht, der eine kreisförmige Leiterbahn bildet und über leitfähige Streifen 1310 mit Strom versorgt wird. Auf dem Heizelement 1308 ist eine Isolierung 1312 aufgebracht, die das Heizelement 1308 von einzelnen Spitzen 1314 bzw. Verbindungsstellen von zwei Reihenschaltungen 1316, 1318 von Thermoelementen elektrisch isoliert, die ein Sensorelement 1319 bilden. Die einzelnen Arme 1320 und 1322 der Thermoelemente bestehen aus jeweils einem ersten Material und einem zweiten Material, zwischen denen an den Spitzen 1314 eine Thermospannung entsteht. Wird nun das Heizelement 1308 geheizt, so bilden sich Isothermenfelder über dem Heizelement 1308, und wenn eine Drehung des gesamten Sensors um die Z-Achse die Spitzen 1314 des Sensorelements 1318 aus den Isothermenfeldern heraus bewegt, so kühlen sich dieselben ab, wodurch eine Drehung erfaßt werden kann.
Fig. 14 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung. Ein Sensor 1400 weist ein erstes Substrat 1402 mit einer Öffnung 1404, über der vorzugsweise eine Membran 1406 angeordnet ist, auf. Auf der Membran 1406 sind symmetrisch um eine Drehachse bzw. die Z-Achse Heizelemente 1408 nach z. B. Fig. 1, 3 und 5 vorgesehen. Diese Heizelemente 1408 sind z. B. Widerstandsheizer, die über Kontakteinrichtungen 1410 mit Strom versorgt werden. Über dem ersten Substrat 1402 ist zentriert zu der Drehachse ein zweites Substrat 1412 mit einer Öffnung 1414, die mit vorzugsweise einer Membran 1416 verschlossen ist, angeordnet. Auf dieser Membran 1416 sind symmetrisch zu der Drehachse und über den Heizelementen 1418 Sensorelemente 1408, wie z. B. dieselben aus Fig. 1 etc., angeordnet, die die Isothermenfelder der Heizelemente 1408 erfassen können. Die Sensorelemente, die beispielsweise Widerstände sein können, werden über Kontakteinrichtungen 1420 ausgelesen bzw. gemessen. Die Heizelemente 1408 erzeugen beim Betrieb kerzenförmige Isothermenfelder 1422, die die Sensorelemente 1418 wärmen. Bei einer Drehbewegung bzw. Drehbeschleunigung des Sensors 1400 um die Drehachse bzw. Z-Achse werden beispielsweise die erwärmten Bereiche relativ zu den Sensorelementen 1418 und den Heizelementen 1408 bewegt, wodurch sich die Sensorelemente 1418 abkühlen und damit z. B. durch eine Widerstandsänderung die Drehbewegung erfassen. Eine derartige Anordnung ist jedoch nicht so empfindlich wie Anordnungen, bei denen die Sensorelemente und die Heizelemente nebeneinander liegen.
Wie erwähnt sind die Sensoren gemäß der Erfindung vorzugsweise in einem abgeschlossenen, fluidgefüllten Gehäuse bzw. einer Kapsel angeordnet. Um eine hohe Empfindlichkeit des Sensors zu ermöglichen, ist das Fluid vorzugsweise ein hochmolekulares bzw. hochdichtes Gas oder eine Flüssigkeit. Die Dichte des Fluids beeinflußt die Isothermenfelder und man erhält einen höchsten Erwärmungseffekt des Fluids bei höchster Dichte des Fluids.
Die vorliegende Erfindung umfaßt Sensoren, die eine einfache Erfassung von Drehbewegungen und Drehbeschleunigungen ermöglichen, einfach aufgebaut und leicht herzustellen sind. Bevorzugte Anwendungen liegen im Bereich der Navigation, z. B. von Automobilen, Wasser- und Luftfahrzeugen, der Erfassung von Bewegungen in Flüssigkeiten bzw. Fluiden in geschlossenen Systemen, der Erfassung der Drehung von Wellen etc.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor zum Erfassen einer Drehbewegung, einer Drehbeschleunigung, einer Neigung oder einer Beschleunigung mit folgenden Merkmalen:
- mindestens einem Heizelement (108; 312; 704; 1006; 1206; 1308; 1408), das in einer ersten Ebene, die senkrecht zu einer Achse ist, angeordnet ist;
- mindestens einem Sensorelement (110; 712r, 7121; 1319; 1418); und
- einem Fluid, das das Heizelement und das Sensorelement umgibt;
wobei das Heizelement (108; 312; 704; 1006; 1206; 1308; 1408) in dem Fluid einen Konvektionsströmungsbereich erzeugt, durch den ein Isothermenfeld festgelegt wird, und wobei das Heizelement (108; 312; 704; 1006; 1206; 1308; 1408) und das Sensorelement (110; 712r, 7121; 1319; 1418) derart bezüglich der Achse der zu erfassenden Drehbewegung oder Drehbeschleunigung angeordnet sind, daß sich das Sensorelement (110; 712r, 7121; 1319; 1418) bei einer Drehbewegung oder einer Drehbeschleunigung gegenüber dem Isothermenfeld (1014, 1016; 1214, 1216; 1422) bewegt;
dadurch gekennzeichnet,
daß sich das Heizelement (108; 312; 704; 1006; 1206; 1308; 1408) kreisbogenförmig oder polygonförmig um die Achse (z) erstreckt.
2. Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem sowohl das Heizelement (108; 312; 704; 1006; 1206) als auch das Sensorelement (110; 712r, 7121) in der ersten Ebene angeordnet sind, - 30 -
und sich das Sensorelement (110; 712r, 7121) ebenfalls kreisförmig oder polygonför ig um die Drehachse (z) erstreckt.
3. Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Heizelement (108; 312; 704; 1006; 1206) und das Sensorelement (100; 712r, 7121) auf einem Substrat (104; 302, 304, 308; 702) angeordnet sind.
4. Sensor gemäß Anspruch 3, bei dem das Heizelement (108; 312; 704; 1006) und das Sensorelement (110; 712r, 7121) freitragend über einer Öffnung (310; 1004) in dem Substrat (304; 1002) angeordnet sind.
5. Sensor gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem das Substrat (104; 302, 304, 308; 702; 1202; 1302) eine Membran aufweist.
6. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein Heizelement (108; 704; 804; 904) und auf einer ersten und einer zweiten Seite des Heizelements in Drehrichtung jeweils ein erstes und ein zweites Sensorelement (110, 112; 712r, 7121; 812r, 8121; 912r, 9121) aufweist.
7. Sensor gemäß Anspruch 6, bei dem das Heizelement (704; 804; 904) ein Widerstand mit temperaturabhängigem Widerstandswert ist.
8. Sensor gemäß Anspruch 6, bei dem das Heizelement (704; 400) aus einer ersten Reihenschaltung von Thermoelementen (328a, 330a, 332a; 428a), die ein erstes Ende, das mit einem ersten Außenanschluß (314a; 414a) verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, das mit einem Mittenanschluß (316; 416) verbunden ist und aus einer zweiten Reihenschaltung von Thermoelementen (328b, 330b, 332b; 428b) besteht, die ein erstes Ende, das mit einem zweiten Außenanschluß (314b, 414b) verbunden ist, und ein zweites Ende aufweist, das mit dem Mittenanschluß verbunden ist, und die entgegengesetzt zu der ersten Reihenschaltung von Thermoelementen (328a, 330a, 332a; 428a) geschaltet ist.
9. Sensor gemäß Anspruch 8, der ferner folgende Merkmale aufweist:
- eine Einrichtung (450) zum Anlegen einer symmetrischen Wechselspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Außenanschluß (414a, 414b);
- einer Einrichtung zum Messen einer Gleichspannung (UTH) am Mittenanschluß (416); und
- einer Einrichtung zum Steuern der Wechselspannung abhängig von der gemessenen Gleichspannung (UTH).
10. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vier Heizelemente (804, 806, 808, 810; 904, 906, 908, 910) um die Drehachse herum jeweils 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
11. Sensor gemäß Anspruch 10, bei dem jeweils zwei Sensorelemente (812r, 8121, 814r, 8141, 816r, 8161, 818r, 8181; 912r, 9121, 914r, 9141, 916r, 9161, 918r, 9181) in Drehrichtung auf einer ersten und einer zweiten Seite des Heizelements (804, 806, 808, 810; 904, 906, 908, 910) benachbart zu demselben angeordnet sind.
12. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine Sensorelement (812r, 912r) jeweils eine Reihenschaltung (812r) von Thermoelementen und/oder jeweils ein Meßwiderstand (912r) ist.
13. Sensor gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem der Sensor derart angeordnet ist, daß die zu erfaßende Drehbewegung oder die Drehbeschleunigung aus der Differenz zwischen einer Summe der Meßsignale (Ui2r, U14r, U^gj-, U18r) der einzelnen Sensorelemente (812r, 814r, 816r, 818r) auf O 01/46701
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der jeweiligen ersten Seite eines jeweiligen Heizelements (804, 806, 808, 810) und einer Summe der Meßsignale ( Vi21 r u141' u161' u18l) der einzelnen Sensorelemente auf der jeweiligen zweiten Seite eines jeweiligen Heizelements (804, 806, 808, 810) bestimmt wird.
14. Sensor gemäß Anspruch 11 bis 13, bei dem der Sensor derart angeordnet ist, daß eine Neigung des Sensors um eine erste Neigungsachse (X), die senkrecht zur Drehachse (Z) ist, aus der Differenz zwischen einer Summe der Meßsignale (Uι r, U;[ ι) von Sensorelementen (814r, 8141) auf der ersten und der zweiten Seite eines ersten Heizelements (806) und einer Summe der Meßsignale (Uι8r, U131) von Sensorelementen (818r, 8181) auf der ersten und der zweiten Seite eines zweiten Heizelements (810), das um 180° zu dem ersten Heizelement (806) versetzt ist, bestimmt wird.
15. Sensor gemäß Anspruch 14, bei dem der Sensor derart angeordnet ist, daß eine Neigung des Sensors um eine zweite Neigungsachse (Y), die senkrecht zu der Drehachse (Z) und der ersten Neigungsachse (X) ist, aus der Differenz zwischen einer Summe der Meßsignale (Ui2r, "121) von Sensorelementen (812r, 8121) auf der ersten und der zweiten Seite eines dritten Heizelements (804) und einer Summe der Meßsignale (üiδr' u16l) von Sensorelementen auf der ersten und der zweiten Seite eines vierten Heizelements (808), das um 180° zu dem dritten Heizelement (804) versetzt ist, bestimmt wird.
16. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, bei dem das erste und das zweite Sensorelement (110, 112) viertelkreisförmige Leiterbahnen sind.
17. Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem das Sensorelement (1319; 1418) in einer zweiten Ebene, die parallel zu der ersten Ebene ist, über dem Heizelement (1308; 1408) angeordnet ist.
8. Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensor entweder angeordnet ist, um die Drehbewegung oder die Drehbeschleunigung des Sensors zu erfassen, oder angeordnet ist, um die Drehbewegung oder die Drehbeschleunigung des Fluids zu erfassen.
PCT/EP2000/013048 1999-12-20 2000-12-20 Sensor zur erfassung einer drehbewegung oder einer drehbeschleunigung WO2001046701A1 (de)

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