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DE4200293A1 - Miniatur-silizium-beschleunigungsmesser und verfahren zum messen der beschleunigung - Google Patents

Miniatur-silizium-beschleunigungsmesser und verfahren zum messen der beschleunigung

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DE4200293A1
DE4200293A1 DE4200293A DE4200293A DE4200293A1 DE 4200293 A1 DE4200293 A1 DE 4200293A1 DE 4200293 A DE4200293 A DE 4200293A DE 4200293 A DE4200293 A DE 4200293A DE 4200293 A1 DE4200293 A1 DE 4200293A1
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DE
Germany
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normal mass
electrodes
normal
mass
acceleration
Prior art date
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Application number
DE4200293A
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English (en)
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DE4200293C2 (de
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Benedict Butler O'brien
Brent Emil Burns
John Albert Geen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northrop Grumman Corp
Original Assignee
Northrop Grumman Corp
Northrop Grumman Systems Corp
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Publication date
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Beschleunigungsmesser für die Anwendung im Bereich mittlerer Genauigkeiten. Es besteht ein Bedarf an kleinen und billigen Beschleunigungsmessern zur Verwendung in taktischen Systemen, wie den Miniatur-Beschleunigungsmessern, die bei der leichten Artillerie und beim Betrieb von Granatwerfern erforderlich sind, wo große Bestände an Schüssen und Beschleunigungsmessern aufgewendet werden können. Ein taktischer Beschleunigungsmesser für derartige Verwendung kann als Instrument mittlerer Qualität betrachtet werden, muß aber einen dynamischen Bereich von fünf Größenordnungen aufweisen und in einer Umgebung mit großen Vibrationen und über einen weiten Temperaturbereich zu betreiben sein.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Miniatur-Beschleunigungsmesser in Form eines integrierten Schaltkreises der zwei Elektrodenschichten enthält, eine dazwischen angeordnete Silizium-Normalmasse, und Einrichtungen, die auf eine unterschiedliche kapazitive Kopplung zwischen den Elektrodenschichten und der Normalmasse ansprechen, um den Beschleunigungskräften entgegenzuwirken, die darauf ausgeübt werden.
Weiterhin schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung der Beschleunigung mit einem linearen Ausgang vor, bei dem eine Normalmasse zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnet wird, die unterschiedliche kapazitive Kopplung zwischen den Elektrodenschichten und der Normalmasse erfaßt wird und in Abhängigkeit von der erfaßten Kopplung Kräfte auf die Normalmasse zur Anwendung gebracht werden, um den Beschleunigungskräften entgegenzuwirken.
Es ist ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung, den dynamischen Bereich eines Miniatur-Beschleunigungsmessers um einen Faktor von 100 bis 1000 über den der bekannten feinstbearbeiteten Beschleunigungsmesser zu vergrößern, die einen dynamischen Bereich von ungefähr 100 aufweisen.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels eines Miniatur-Beschleunigungsmessers näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine teilweise Schnittdarstellung eines Meßwertgebers eines Beschleunigungsmessers.
Fig. 2 eine isometrische Ansicht der Bestandteile des Meßwertgebers des Beschleunigungsmessers in Fig. 1, dargestellt mit einem geöffneten oberen Teil und mit Teilen des unteren Teils in Schnittdarstellung und
Fig. 3 eine Ansicht des Bereichs der Normalmasse im Bereich 3-3 der Fig. 2 von oben.
Fig. 1 zeigt einen Miniatur-Beschleunigungsmesser 10 mit einem Meßwertgeber 12 und Schaltkreisen 14 und 14a. Der Meßwertgeber 12 des Beschleunigungsmessers 10 ist in einer teilweisen Schnittdarstellung gezeigt und enthält eine Normalmasse 16, die in ihrer neutralen Position, in der Mitte zwischen einer oberen und einer unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32, gezeigt ist. Die Normalmasse 16 ist aus Silizium hergestellt und mit einer dünnen Biegestelle 22 versehen, die einteilig mit der Siliziumschicht 24 gebildet ist. Die Biegestelle 22 definiert eine Biegelinie entlang der Mittelebene der Normalmasse 16, gekennzeichnet durch die Mittelachse 23, um die Schwingungsrektifikation zu minimieren. Wenn die Biegestelle 22 so angeordnet wird, daß eine Symmetrie um die Mittelebene der Normalmasse 16 vorhanden ist, wird ein Schütteln des Beschleunigungsmessers keine Rektifikation hervorrufen, so daß das Instrument eine hohe Linearität aufweist.
Die Siliziumschicht 24 ist anodisch zwischen oberen und unteren Glasschichten 26 und 28 eingebunden, auf denen obere und untere Metallelektroden 30 beziehungsweise 32 aus Aluminium oder Gold oder anderen elektrischen Leitern angeordnet sind. Weiterhin sind die obere Elektroden-Glasschicht 26 und die untere Elektroden-Glasschicht 28 identische Teile, die mit derselben Maske hergestellt werden, die zuerst an der oberen Schicht angewendet wird und dann an der unteren, um eine exakte Symmetrie zu erreichen. Die Normalmasse 16 ist sehr symmetrisch, so daß in der Vorrichtung keine Vorspannungen erzeugt werden. Das trägt zu einem hohen Wert für einen dynamischen Bereich mit hoher Linearität bei.
Wenn die Elektroden 30 und 32 auch bequem aus aufgedampftem Aluminium hergestellt werden können, ist eine ziemliche Feuchtigkeitsempfindlichkeit zu verzeichnen, die der Verwendung von Aluminium innewohnt, weil es signifikant Oberflächenfeuchtigkeit absorbiert, was die dielektrischen Eigenschaften der Oberfläche verändert und Kapazität addiert, die nicht von anderen Kapazitäten unterschieden werden kann, die gemessen werden. Folglich wird bevorzugt ein Metall verwendet, das keine Feuchtigkeit absorbiert, wie Gold, das leicht durch Sprühen aufgetragen werden kann. Mit dem Ziel, die Oberfläche der Normalmasse 16 stabil zu halten, wird auch diese vorzugsweise mit Gold überzogen.
Der Beschleunigungsmesser 10 arbeitet als Kraft-Balance-Instrument, in dem die Beschleunigungskraft auf die Normalmasse 16 durch angemessene elektrische Rückstellkräfte ausgeglichen wird, die durch einen Sensorschaltkreis 14 über eine obere und eine untere Beeinflussungselektrode 30 und 32 auf die Normalmasse 16 ausgeübt werden. Die Größe der erforderlichen Rückstellkraft ist eine Funktion der Beschleunigung und kann am Beschleunigungsausgang 34 des Sensorschaltkreises 14 gemessen werden.
An die Normalmasse 16 wird über einen Entkopplungs- oder wechselstromdurchlässigen Widerstand 36 durch eine Bezugsspannungsquelle, wie eine stabilisierte Halbleiter-Bezugsspannungsquelle 35, eine Gleich-Vorspannung angelegt.
Parallel dazu wird ein von der Signalquelle 38 erzeugtes Wechselspannungssignal über den Koppelkondensator 40 an die Normalmasse 16 angelegt. Kondensatoren 42 und 44 koppeln die Kapazitäten, die zwischen den oberen und unteren Elektroden 30 und 32 sowie der Normalmasse 16 gebildet werden, an den Differenz-Brückenschaltkreis 46, der die Dioden 50, 52, 54 und 56 beinhaltet, den Filterkondensator 58 und den Operationsverstärker 60, mit hoher Impedanz und hohem Verstärkungsfaktor. Der Ausgang des Verstärkers 60 wird direkt dazu verwendet, die obere Elektrode 30 und, nach einer Inversion durch den Inverter 62 dazu, die untere Elektrode 32 zu treiben.
Der Beschleunigungsausgang 34 ist über den Verstärker 60 und den Inverter 62 auf die obere und die untere Elektrode 30 beziehungsweise 32 geführt, um elektrostatische Rückstellkräfte auf die Normalmasse 16 zu geben, um den Kräften entgegenzuwirken, die durch die Beschleunigung darauf ausgeübt werden. Solche elektrostatischen Kräfte wären normalerweise nicht linear, weil sie proportional dem Quadrat der angelegten Spannung sind. Die Gleich-Vorspannung, die durch die stabile Spannungsquelle 35 angelegt wird und die außer Phase an die obere und untere Elektrode 30 und 32 angelegten Signale vom Verstärker 60 und dem Inverter 62 sichern die Beseitigung dieser Nichtlinearität.
Die Beeinflussungs- und Normalmassenspannungs-Verschiebung ergibt ein lineares Ausgangssignal mit der elektrostatischen Kraftrückkopplung, auch wenn die Grundgleichungen der Beeinflussung nicht linear sind. Die Grundgleichungen der Beeinflussung sind:
worin FU die obere Kraft ist (FL ist die untere Kraft). A ist die Fläche der Beeinflussungselektrode, VU ist die Spannung zwischen der oberen Elektrode und der Normalmasse, VL ist die Spannung zwischen der unteren Elektrode und der Normalmasse, d ist der Abstand zwischen der Elektrode und der Normalmasse.
Setzt man
VU = V₀ - Δ und VL = V₀ + Δ (2)
worin V₀ die Spannung bei 34 und Δ eine feste Spannung ist, zum Beispiel 15 V, wird eine exakte Linearisierung der Kraftgleichung erhalten, wie gezeigt wird, durch:
worin M die Masse der Normalmasse 16 ist und an die Beschleunigung,
so daß der Skalenfaktor wird:
Δ ist die Spannung, die von der Spannungsquelle 35 erzeugt wird. Deshalb ist die Ausgangsspannung bei 34 exakt proportional der Beschleunigung, wenn die Normalmasse zwischen der oberen und der unteren Elektrode 30 und 32 zentriert ist. Die Spannung kann dann zur Messung der Beschleunigung verwendet werden.
Eine Linearität kann auch erreicht werden, wenn die Normalmasse 16 eine Vorspannung von Null hat und eine feste Vorspannung in Reihe mit dem Verstärkerausgang an die obere Elektrode 30 angelegt wird, während die gleiche feste Vorspannung mit umgekehrter Polarität in Reihe mit dem Verstärkerausgang an die untere Elektrode 32 angelegt wird.
Verbleibende Nichtlinearitäten des Systems, zum Beispiel bedingt durch eine ungenaue Zentrierung der Normalmasse in dem Spalt, können durch eine Verschiebung der Vorspannungen reduziert werden, die von einer Vorspannungsquelle V über einen hohen Widerstand R3 (<250 kOhm) an den Verstärker angelegt werden. Die Verwendung von solchen Vorspannungsverschiebungen erlaubt die Reduzierung ungenauer Zentrierungen und Vibrationsrektifikationen im wesentlichen auf Null.
Außer der oberen und unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 können die obere und untere Glasschicht 26 beziehungsweise 28 eine obere beziehungsweise untere Schutz-Band-Elektrode 64 beziehungsweise 66 aufweisen. Wie in der Fig. 1 dargestellt und weiterhin mit Bezugsnahme auf die Fig. 2 nachfolgend beschrieben, können diese Schutz-Band-Elektroden wesentlich dicker sein, als die obere und untere Elektrode 30 beziehungsweise 32, um die Normalmasse 16 von der oberen und unteren Elektrode entfernt zu halten. Das erlaubt ein erfolgreiches Einschalten von Beschleunigungsmessern 10 mit closed-loop-Schaltungen unter Beschleunigung, ohne zusätzliche spezielle Beschaltung.
Die Spalte zwischen der oberen Elektrode 30 und der oberen Schutz-Band-Elektrode 64 auf der oberen Glasschicht 26 sowie der unteren Elektrode 32 und der unteren Schutz-Elektrode 66 auf der unteren Glasschicht 28 können bestimmte Probleme bezüglich der Aufladung des Glases und der Kriechströme über die Spalte mit sich bringen. Wenn das Potential an einer solchen Elektrode gewechselt wird, wird sich wegen der Kriechströme auf der oberen und unteren Glasschicht 26 und 28 auch das Potential in der dazwischenliegenden Isolatorregion von einem Wert auf einen anderen einstellen. Die Potentialverteilung in diesen Spalten ändert sich, da sich die Isolationseigenschaften in diesen Spalten mit der Feuchtigkeit und anderen Umgebungsbedingungen ändern.
Das Potential in diesen Spalten wirkt wie eine Fortsetzung des Potentials der oberen oder unteren Elektrode 30 und 32.
Die Wirkung der elektrostatischen Kräfte der Potentiale in diesen Spalten kann von den Kräften, die von der oberen und unteren Elektrode 30 und 32 ausgeübt werden, nicht unterschieden werden. Die langsam wechselnden Potentiale in den Spalten erzeugen deshalb beim Einschalten und beim Wechseln der Beschleunigung Ausgleichsvorgänge bei den Kräften.
Zur Erklärung ist zu beachten, daß die Normalmasse 16 nur die Beeinflussungs-Meßwertgeberelektroden 30 und 32 bei den oberen und unteren Kräften erkennt. Der Schutzring 64, 66, der um die Normalmasse 16 herum angeordnet ist, um die Einschaltprobleme zu vermeiden, weist jedoch ein von den Elektroden 30 und 32 unterschiedliches Potential auf. Wenn wegen eines Wechsels der Beschleunigung das Potential der Elektroden 30 und 32 wechselt, wird sich das Potential der Glasregion zwischen den Elektroden 30 und 64 auf der oberen Seite oder der Glasregion zwischen den Elektroden 32 und 66 auf der unteren Seite ebenso ändern müssen. Das Glas zwischen den Hauptelektroden und dem Schutzring kann als Widerstandsmaterial mit sehr hohem Widerstand angesehen werden.
Wenn das Potential der Elektroden 30 und 32 wechselt, wird sich die Region zwischen den Elektroden und ihren Schutzringen ändern, aber diese Änderung geht wegen des hohen Widerstands des Glases langsam vor sich.
Der Weg eine signifikante Beeinflussung durch die Glasregion zwischen den Elektroden zu vermeiden, besteht darin, die Hauptelektroden 30 und 32 überall viel größer als die Normalmasse auszuführen. Die Schutz-Elektroden müssen jedoch in Form von vier kleinen Stellen oder Fingern 74, 75, 76 und 77 eingebracht werden, um die Normalmasse (Fig. 2 und 3) zu berühren, sollte die Normalmasse gegen die obere Glasschicht gedrückt werden. Die Elektrodenform ist dann so angeordnet, daß sich der Schutzring nur in diesen Fingern über den Bereich der Normalmasse ausdehnt. Andererseits befindet sich die Glasregion, die langsam aufzuladen ist, außerhalb des Bereichs, in dem sie die Normalmasse beeinflussen kann. Nichtsdestoweniger ragen die vier Finger 74 bis 77 hinein und die Wirkung des Glases in diesen Bereichen um die vier Finger ist bedeutend. Mit dem Ziel, die Wirkung dieser Glasregion zu reduzieren, ist in der Normalmasse unter der Glasregion eine V-förmige Nut 21 so angeordnet, daß, wegen der vergrößerten Entfernung zwischen dem Glas und der Normalmasse, eine Beeinflussung, die Normalmasse zu bewegen, nur eine minimale Wirkung hat, wenn sich die Ladung auf dem Glas langsam ändert. Jede Nut 21 begrenzt einen Pfosten 78 und 79, wie in der Fig. 3 gezeigt. Die Pfosten 78 und 79 dienen dazu, die Elektroden 64, 66 zu berühren, während die Elektroden 30, 32 von der Normalmasse unberührt bleiben, wenn die Vorrichtung unter Beschleunigung gestartet wird. Der Spalt zwischen der Normalmasse und dem Glas beträgt in diesem Bereich nicht mehr 3 Mikrometer, sondern ist viel größer, nahe an 20 oder 30 Mikrometer.
Auf diese Weise werden die Ausgleichs-Ansprechzeiten der Beschleunigung verringert oder eliminiert. Wie in der Fig. 3 genauer gezeigt ist, ist der Graben oder die V-förmige Nut 21 direkt unter den Spalten zwischen der oberen und unteren Elektrode 30 und 32 und der oberen und unteren Schutz-Band-Elektrode 64 und 66 auf der oberen und unteren Glasschicht 26 beziehungsweise 28 in die Normalmasse 16 geätzt.
Die V-förmige Nut 21 reduziert die Wirkung des Potentials in den Spalten auf der Normalmasse 16, indem ein großer Abstand dazwischen geschaffen wird, wie das zehnfache des normalen Abstandes zwischen der oberen Glasschicht 26 und der Normalmasse 16. Die obere und untere Elektrode 30 und 32 können sich über die Normalmasse 16 hinaus erstrecken, so daß die Wirkung des Feldes des Glases zwischen der oberen Elektrode 30 und der oberen Schutz-Band-Elektrode 64 und der unteren Elektrode 32 und der unteren Schutz-Band-Elektrode 66 minimiert wird. Die oberen und die unteren Glasoberflächen sind bei 26a und 28a metallisiert und mit Masse verbunden, um den Meßwertgeber gegen äußere elektrische Felder und gegen die Beeinflussung durch äußere Leiter abzuschirmen.
Alternativ dazu kann eine schwach leitfähige Oberflächenbeschichtung (10¹⁰ Ohm pro ) auf der oberen und unteren Glasschicht 26 und 28, insbesondere in den Spalten, vorgesehen werden. Die Wirkungen der Potentiale der Spalte würden nicht beseitigt, aber die Potentialverteilung in dem Spalt würde meist sofort festgelegt und konstant gehalten, was eine befriedigende Ermittlung der Beschleunigung, ohne unerwünschte Ausgleichsvorgänge, ermöglicht, sofern der Widerstand der Beschichtung der Oberfläche hoch genug ist, daß keine Interferenz mit der Erfassung eintritt.
Es wird nun auf die Fig. 2 Bezug genommen. Der Meßwertgeber des Beschleunigungsmessers 12 ist in einer teilweise perspektivischen Explosivdarstellung gezeigt, in der die obere Glasschicht 26 in eine offene Position gedreht wurde und der verbleibende Teil wegen einer besseren Erkennbarkeit weggelassen wurde. Wie oben bemerkt, wurde die obere Elektrode 30 durch Aufdampfen von Aluminium oder Gold auf die obere Glasschicht hergestellt. Die obere Elektrode 30 wird von oberen Schutz-Band-Elektroden 64 umgeben. In der gleichen Weise ist ein Teil der unteren Schutz-Band-Elektrode 66 auf der unteren Glasschicht 28 durch das teilweise Weglassen von Teilen der Siliziumschicht 24 sichtbar gemacht worden. Das Ende der unteren Elektrode 32 ist ebenfalls zu sehen.
Der metallische Kontaktblock 81 auf der Siliziumschicht bildet den elektrischen Kontakt dieser Schicht. Bonddrähte mit 0,025 mm Dicke aus Gold oder Aluminium verbinden die Enden der Elektroden 32, 66, 30 und 64 und den Kontaktblock 81 mit den elektrischen Schaltkreisen 14 und 14a. Die Bonddrähte sind in einer von verschiedenen Arten, die in der Industrie der integrierten Schaltkreise üblich sind, befestigt.
Die oberen und unteren Schutz-Band-Elektroden 64 und 66 können im Vergleich mit der Dicke der oberen und unteren Elektrode 30 und 32 zweckmäßig mit einer doppelten Dicke der Schicht der Metallisierung hergestellt werden. Diese zusätzliche Dicke sichert, daß die Normalmasse 16 während der Einschaltung des Beschleunigungsmessers von der oberen und unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 ferngehalten wird. Die obere und untere Schutz-Band-Elektrode werden auf dem gleichen Potential gehalten, wie die Normalmasse 16.
Wie weiterhin in der Fig. 2 zu sehen ist, können die obere und die untere Glasschicht zur Vereinfachung der Herstellung identisch ausgeführt sein. Wo immer es möglich ist, wird der Meßwertgeber 12 symmetrisch entworfen und hergestellt, um mechanische Spannungen und Drifterscheinungen zu reduzieren.
Das Material, das für die obere und untere Glasschicht 26 und 28 verwendet wurde, zum Beispiel Borsilikat-Pyrex-Glas Sorte 7740, sollte wegen der Wärmedehnung so gut wie möglich zu dem der Normalmasse 16 passen. Es kann auch Silizium mit geeigneten isolierenden Schichten für die oberen und unteren Teile des Meßwertgeber-Sandwiches verwendet werden.
Auf der oberen Oberfläche der Siliziumschicht 24 sind, wie gezeigt, Nuten 68 und 70 angeordnet, um die Isolierung der oberen Elektrode 30 und der oberen Schutz-Band-Elektrode 64 gegen einen Kontakt mit der Siliziumschicht 24 zu sichern, wobei gleichartige Isolationsnuten, in dieser Ansicht nicht sichtbar, auf der unteren Oberfläche der Siliziumschicht 24 vorgesehen sind, um die untere Schutz-Band-Elektrode 66 und die untere Elektrode 32 gegen einen elektrischen Kontakt mit der Siliziumschicht 24 zu isolieren.
Die Normalmasse 16 ist in der teilweise weggeschnittenen Ansicht, mit der Siliziumschicht durch die flexible Biegestelle 22 verbunden, sichtbar. Die Biegestelle 22 kann als einfache Scharnierverbindung ausgeführt sein, aber, wie gezeigt, wird vorzugsweise eine symmetrisch geteilte Biegestelle verwendet, so wie diese, die durch die Scharniere 25 und 27 gebildet wird, um Verschiebungen der Normalmasse, bedingt durch Verbiegungen der Normalmasse des Meßwertgebers 12, zu minimieren. In der Biegestelle 22 ist ein Minimum an Festigkeit erforderlich, um einem Bruch, verursacht durch Kräfte in der Ebene des Siliziums, zu vermeiden und einer elektrostatischen Spanninstabilität zu widerstehen.
Die Konstruktion des Meßwertgebers 12 des Beschleunigungsmessers, einschließlich der Normalmasse 16 und der Biegestelle 22, kann mit geeigneten integrierten Schaltkreisen und mit Feinstbearbeitungstechnologien ausgeführt werden. Es sind verschiedene gesteuerte Ätztechniken geeignet, um die Normalmasse 16 aus der umgebenden Siliziumschicht zu formen, wobei eine begrenzte physikalische Verbindung verbleibt, um die Biegestelle 22 zu bilden. Die Biegestelle 22 kann einige Stunden bei einer hohen Temperatur, zum Beispiel 1000°C ausgeglüht werden, um jegliche ungleichmäßigen Spannungen zu reduzieren, die durch die Fabrikation von hohen Dotierungsgradienten und/oder -Konzentrationen entstehen. Die oberen und unteren Glasschichten sind gleichzeitig mit der Siliziumschicht anodisch verbunden, um ein Verziehen zu vermeiden.
Die obere und untere Oberfläche der Normalmasse 16 müssen durch Wegätzen der Oberfläche der Siliziumschicht so gebildet werden, daß geeignete Spalte, in der Größenordnung von ungefähr 2 Mikrometern, zwischen der Normalmasse 16 und der oberen beziehungsweise unteren Glasschicht 26 beziehungsweise 28 gebildet werden.
Die äußeren Oberflächen der Glasschichten 26a und 28a sind vorzugsweise mit einem leitfähigen Überzug metallisiert, so daß bei der Verwendung diese äußere Metallisierung mit einem genau definierten Potential verbunden werden kann, wie mit der Systemmasse, und die inneren Strukturen gegen die Wirkungen äußerer elektrischer Felder abschirmt, die andernfalls Fehler verursachen können.
Der Meßwertgeber kann auf einem Block 29 aus elastischem Material angeordnet werden, wie in der Fig. 2 gezeigt, um die Spannungen von einer Montagefläche zu reduzieren, die unterschiedliche Expansionseigenschaften haben kann, und die Vibrationsübertragung von einer solchen Montagefläche zu reduzieren. Der Block 29 verhindert ein Verziehen des Meßwertgebers, das durch verschiedene Wärmedehnungen im Bezug auf das Material des Bausteins oder durch mechanische Verzerrungen des Bausteins während des Gebrauchs verursacht werden kann. Würden sie zugelassen, würden derartige Verziehungen kleine Fehler in den Meßwertgeber einbringen und so seinen dynamischen Bereich begrenzen. Der elastische Block wird vorzugsweise elektrisch leitfähig gemacht, indem er mit einem geeigneten Material, wie Ruß oder Silberpulver angereichert wird, was einen leichten elektrischen Kontakt mit der unteren metallisierten Oberfläche der Schicht 28 ermöglicht.
Der Sensorschaltkreis 14 kann bequem durch herkömmliche integrierte Schaltkreis-Fabrikationstechnik, als Teil desselben physikalischen Grundelements wie der Meßwandler 12 des Beschleunigungsmessers, hergestellt werden. Der Meßwertgeber 12 des Beschleunigungsmessers 10 und der Sensorschaltkreis 14 können in demselben hermetisch versiegelten flachen Baustein oder in einem anderen geeigneten Hybridgehäuse angeordnet sein.
Während des Betriebes gleicht der Sensorschaltkreis 14 die Kapazitäten durch Anwenden elektromotorischer Kräfte auf die Normalmasse 16 aus, um sie in eine nichtzentrische Position zu bewegen und dort festzuhalten, wenn irgendwelche Unausgeglichenheiten in den Kapazitäten zwischen der Normalmasse 16 und den oberen und unteren Elektroden 30 und 32 vorhanden sind, wenn die Normalmasse 16 zentriert ist. Diese nichtzentrische Position erzeugt eine Nichtlinearität zweiter Ordnung, wenn sie nicht durch eine geeignete Vorspannungsverschiebung auf den Verstärker 60 kompensiert wird, oder durch eine Kompensationskapazität, die zwischen die Normalmasse 16 und die obere Elektrode 30 oder zwischen die Normalmasse 16 und die untere Elektrode 32 zugeschaltet wird.
Es wird nun wieder auf die Fig. 1 Bezug genommen. Die Signalquelle 38 kann zum Beispiel eine Wechselspannungsquelle mit 4 Volt Amplitudenspannung sein, wie ein Rechteckwellengenerator, mit zum Beispiel 10 MHz. Dieses Wechselspannungssignal wird zusammen mit der geeigneten Gleich-Vorspannung von der Bezugsspannungsquelle 35 an die Siliziumschicht angelegt und damit an die Normalmasse 16. Wenn sich die Normalmasse in der neutralen Lage befindet, ist das Wechselspannungssignal gleichmäßig an die obere und untere Elektrode 30 und 32 angekoppelt. Die kapazitiven Aufnahmen zwischen der Normalmasse 16 und der oberen beziehungsweise unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 werden in der Differenz-Brückenschaltung 46 verglichen.
Es ist wichtig zu bemerken, daß die Kondensatoren 42 und 44 im Vergleich zu den Kapazitäten, die zwischen der oberen und unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 und der Normalmasse 16 gebildet werden, groß sind und deshalb eine vernachlässigbare Wirkung auf die neutrale Position der Normalmasse 16 haben. In der neutralen Position sind die Werte ausgeglichen und es wird kein Differenzsignal an den Verstärker 60 gegeben, so daß dadurch kein Differenz-Gleichspannungssignal an die obere und untere Elektrode gegeben wird.
Diese Elektroden 30 und 32 nehmen ein Hochfrequenzsignal, nämlich 10 MHz-Signal, vom Generator 38 auf, gekoppelt durch geeignete Spalte von der Normalmasse 16 zu der Elektrode 30 und von der Normalmasse 16 zu der Elektrode 32.
Nun soll der Signalfluß verfolgt werden: Das Wechselspannungssignal vom Generator 38 ist an die Normalmasse 16 gekoppelt, womit es weiterhin von der Normalmasse 16 über die Luftspalte mit der oberen und unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 gekoppelt ist. Wenn dem Signalweg von der Elektrode 30 gefolgt wird, trifft das Signal auf der einen Seite auf den Widerstand R1 verhältnismäßig hoher Impedanz, zwischen 10 und 30 kOhm, der es von dem Verstärker isoliert, und auf den Kondensator 42, der ein großer Kondensator ist, und ihm leicht ermöglicht, zu der Vierdioden-Brücke zu gelangen. Auf der anderen Seite läuft das Gleichspannungs-Rückkoppelsignal, das vom Verstärker kommt, über den Strompfad zum Widerstand R1. Da hier ein sehr geringer Gleichstrom fließt, entsteht über den Widerstand R1, von dem das Gleichspannungssignal direkt zu der Elektrode 30 geführt wird, nur ein vernachlässigbar geringer Spannungsabfall. Der Kondensator 42 stellt sicher, daß das Gleichspannungssignal von der Vierdioden-Brückenschaltung ferngehalten wird. Die gleiche Erläuterung trifft auch auf die Wirkung des Widerstands R2 und des Kondensators 44 zu.
Beim Betrieb verursacht die Beschleunigung eine relative Bewegung zwischen der Normalmasse 16 und der oberen und unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32, da die Normalmasse 16 versucht, um die Biegestelle herum zu schwenken. Wenn sich die Normalmasse 16 bewegt und sich einer Elektrode, wie der Elektrode 32, nähert, verursacht die vergrößerte kapazitive Aufnahme des Wechselspannungssignals von der Signalquelle 38, daß über den Differenz-Brückenschaltkreis eine Spannung an den Verstärker angelegt wird. Die resultierende vergrößerte Gleich-Signalspannung, die über den Inverter 62 an die untere Elektrode 32 angelegt wird und die verringerte Spannung, die vom Verstärker 60 an die obere Elektrode 30 angelegt wird, sichern, daß eine elektrostatische Kraft auf die Normalmasse 16 ausgeübt wird, um der Beschleunigungskraft entgegenzuwirken und die Normalmasse 16 in ihrer neutralen Position zu halten. Das verringerte Signal, das an den Inverter 62 angelegt wird, kann als Beschleunigungsausgang erfaßt werden und ist proportional der ausgeübten Beschleunigungskraft.
Eine vernachlässigbare Abweichung der Normalmasse 16 im Spalt, aus ihrer nominalen Position heraus, ist für eine genügend hohe Verstärkung des Verstärkers 60 ausreichend, wenn eine Beschleunigung ausgeübt wird, weshalb die Linearität gesichert ist. Zur Aufrechterhaltung der Stabilität des Ansprechens des Beschleunigungsmessers 10 mit geschlossener Schleife, mit hoher Verstärkung des Verstärkers 60, ist es erforderlich, eine Verringerung der hohen Verstärkung bei hohen Frequenzen zu erhalten. Ein bestimmter vorteilhafter Mechanismus zum Erreichen eines Abrutschens der Verstärkung bei hoher Frequenz besteht im Schaffen einer viskosen Dämpfung, zum Beispiel der Verwendung von Gas oder Flüssigkeit im Spalt zwischen der oberen und unteren Elektrode 30 beziehungsweise 32 und der Normalmasse 16, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist.
Es wurde also ein neuer Miniatur-Beschleunigungsmesser und ein Verfahren zu seiner Herstellung in Feinstbearbeitung geschaffen, der zu anderen Gesichtspunkten einen großen Dynamikbereich mit einem ausgezeichneten Verhältnis der Genauigkeit über den vollen Meßbereich aufweist. Der Beschleunigungsmesser ist hochsymmetrisch. Im einzelnen ist das Gelenk in der Mittelebene der Normalmasse angeordnet und die Struktur ist ausgeglichen, um Verschiebungen zu vermeiden. Das ergibt eine gute Vorspannungsstabilität des Bereichsverhältnisses. Der Beschleunigungsmesser ist mit einer geschlossenen Schleife ausgeführt, mit einer ausnahmsweise hohen Schleifenverstärkung und einem sehr schwachen Gelenk, verglichen mit den Pendel- und elektrostatischen Kräften. Das ergibt ebenfalls eine gute Vorspannungsstabilität im Bereichsverhältnis. Die unterschiedliche Beeinflussung mit Verschiebungen wirkt in Verbindung mit der hohen Verstärkung der geschlossenen Schleife, um die Fehler durch die Nichtlinearitäten und Pendelvibrationen zu minimieren.
Sekundäre Störungen, die Vorspannungsfehler ergeben können, wurden in der vorliegenden Erfindung durch eine Anzahl von Gesichtspunkten eliminiert, die unter anderem enthalten:
  • 1) elektrostatische Abschirmung der Außenseite des Chips;
  • 2) Vergrößern der Elektroden, um Streufelder zu minimieren;
  • 3) Auswahl von Elektrodenmetallen bezüglich der Oberflächenstabilität im Atomniveau, das heißt hygroskopische Lackierung oder Eloxierung;
  • 4) Ätzen von Nuten, um die Wirkung der verbleibenden Streuung zu reduzieren;
  • 5) Verwendung einer Widerstandsbeschichtung, um die Verteilung der Ladung in den Elektrodenspalten zu stabilisieren;
  • 6) Schlitzen des Gelenks, um die Wirkung der strukturellen Verschiebung zu reduzieren;
  • 7) Verwendung eines elastischen Blocks, um strukturelle Verschiebungen als Folge verschiedener Ausdehnung oder anderer äußerer Kräfte zu vermeiden.
Zusätzlich vereinfacht die vorliegende Erfindung den Servobetrieb des Beschleunigungsmessers durch Anwendung der Erregung auf die Normalmasse und durch die Anordnung der Konstruktion, derart, daß die Aufnahme- und die Beeinflussungselektroden nun dieselben sind.

Claims (28)

1. Miniatur-Beschleunigungsmesser, gekennzeichnet durch zwei Elektrodenschichten (30, 32), eine Silizium-Normalmasse (16), eine Einrichtung zum Aufhängen der Normalmasse (16) zwischen den Elektrodenschichten (30, 32), eine lineare Einrichtung, die auf unterschiedliche kapazitive Kopplungen zwischen den Elektrodenschichten und der Normalmasse (16) anspricht, um ein elektrisches Signal zur Gegenwirkung gegen die Beschleunigungskräfte, die auf die Normalmasse (16) wirken, zu erzeugen und eine Einrichtung zur Messung der Größe und des Vorzeichens des Signals, als Maß der Beschleunigung.
2. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Anwendung einer Vorspannungsverschiebung auf einen Verstärker (60), um die Wirkung der unvollkommenen Zentrierung und der Vibrationsrektifikation zu verringern.
3. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Gegenwirkung gegen die Beschleunigungskräfte enthält:
eine Einrichtung zur Anwendung eines Wechselspannungssignals auf die Normalmasse (16); eine Einrichtung zum Erfassen des Wechselspannungssignals, gekoppelt mit den Elektrodenschichten davon; und eine Einrichtung, die auf das Wechselspannungssignal anspricht, das erfaßt wird, um für die Gegenkräfte gegen die Beschleunigung der Normalmasse (16) verwendet zu werden.
4. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die auf das erfaßte Wechselspannungssignal anspricht, weiterhin enthält:
eine Einrichtung zur Anwendung unterschiedlicher elektrostatischer Kräfte zwischen den Schichten (30, 32) und der Normalmasse (16), linear zu dem erfaßten Wechselspannungssignal.
5. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Anwendung der elektrostatischen Kräfte weiterhin enthält:
eine Einrichtung zum Anlegen unterschiedlicher Gleichspannungssignale zwischen den Schichten (30, 32) und der Normalmasse (16), proportional zu den erfaßten Wechselspannungssignalen;
und eine Einrichtung zur Anwendung von Gleich-Vorspannungen zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) und der Normalmasse (16), um elektrostatische Kräfte, die zwischen diesen angewendet werden, linear proportional zur Beschleunigung zu machen.
6. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Normalmasse (16) ein Teil einer Siliziumschicht (24) ist, die zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) eingeschlossen ist.
7. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumschicht (24) weiterhin eine Biegestelle (22) enthält, die in der Mittelebene (23) der aufgehängten Normalmasse (16) wirkt.
8. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegestelle (22) als geteilte Konstruktion ausgeführt ist, die symmetrisch ausgeglichene Scharniere (25, 27) aufweist.
9. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner Film aus Gas oder Flüssigkeit im Spalt zwischen der Normalmasse (16) und den Elektrodenschichten (30, 32) vorgesehen ist, um eine viskose Dämpfung zwischen diesen zu bewirken.
10. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrodenschicht (30, 32) weiterhin enthält:
eine Einrichtung zur Anwendung elektrostatischer Kräfte auf die Normalmasse (16), die auf die Einrichtung für die Gegenkräfte gegen die Beschleunigungskräfte, die hierauf angewendet werden, anspricht; und Schutz-Elektroden (64, 66) zur Vermeidung einer Berührung zwischen den Beeinflussungselektroden (30, 32) und der Normalmasse (16).
11. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrodenschicht (30, 32) weiterhin enthält:
eine Metallisierung der Beeinflussungselektroden, zur Anwendung einer elektrostatischen Kraft auf die Normalmasse (16); und eine Metallisierung der Schutz-Elektroden (64, 66), wesentlich dicker, als die Metallisierung der Beeinflussungselektroden, um eine Berührung zwischen der Metallisierung der Beeinflussungselektrode und der Normalmasse (16) zu vermeiden.
12. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Reduzierung von Ausgleichsvorgängen bei Veränderungen der elektrostatischen Kräfte, die aus verschiedenen Potentialen zwischen den Metallisierungen der Schutz- und Beeinflussungselektroden resultieren.
13. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Reduzierung der Ausgleichsvorgänge bei den elektrostatischen Kräften weiterhin enthält:
Nuten (21) in der Normalmasse (16), gegenüber dem Teil der Elektrodenschichten zwischen der Metallisierung der Beeinflussungs- und der Schutzelektrode, um die Wirkung der elektrostatischen Kräfte zu reduzieren, die durch diese auf die Normalmasse ausgeübt werden.
14. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Reduzierung der Ausgleichsvorgänge bei den elektrostatischen Kräften weiterhin eine Widerstandsbeschichtung auf den Teilen der Glasschichten (26, 28) zwischen den Metallisierungen der Beeinflussungs- und der Schutz-Elektroden, zur Erhaltung einer gut definierten Potentialverteilung zwischen diesen, enthält.
15. Miniatur-Beschleunigungsmesser nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine leitende Metallisierungsschicht auf den äußeren Oberflächen (26a, 28a) der Glasschichten (26, 28), um den Meßwertgeber (12) gegen äußere elektrische Felder abzuschirmen.
16. Verfahren zum Erfassen der Beschleunigung, unter Verwendung einer Normalmasse (16) und Elektroden, die einen Beschleunigungsmesser bilden, gekennzeichnet durch das Aufhängen der Normalmasse (16) in einer balancierten Position, zwischen den Elektroden (30, 32), um gleiche Kopplungskapazitäten zwischen den Elektroden und der Normalmasse zu definieren; elektronisches Erfassen der unterschiedlichen kapazitiven Kopplungen zwischen den Elektroden und der Normalmasse, wenn die Normalmasse durch die Beschleunigung aus der balancierten Position herausbewegt wird; elektronische Erzeugung eines elektrischen Signals das eine elektromotorische Kraft auf der Normalmasse erzeugt, die dazu tendiert, die Normalmasse in ihre balancierte Position zu bewegen, wenn es an den Elektroden angewendet wird; Anwenden des elektrischen Signals an den Elektroden, um eine Gegenkraft gegen die Beschleunigung zu erzeugen, die auf die Normalmasse ausgeübt wird; und Messen der Größe und des Vorzeichens des elektrischen Signals, das erforderlich ist, um die Balance wieder herzustellen, als Maß für die Beschleunigung, die auf die Normalmasse ausgeübt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte zur Anwendung der Gegenkräfte:
Anlegen eines Wechselspannungssignals an die Normalmasse (16);
Erfassen des Wechselspannungssignals, das von der Normalmasse an die Elektroden (30, 32) angekoppelt wird; und Anwenden der Gegenkräfte gegen die Beschleunigung an der Normalmasse, abhängig von den erfaßten Wechselspannungssignalen.
18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch die Anwendung unterschiedlicher elektrostatischer Kräfte zwischen den Elektroden (30, 32) und der Normalmasse (16), linear proportional zu den erfaßten Wechselspannungssignalen.
19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte zur Anwendung unterschiedlicher elektrostatischer Kräfte:
Anlegen unterschiedlicher Gleichspannungen zwischen den Elektroden (30, 32) und der Normalmasse (16), proportional zu den erfaßten Gleichspannungssignalen; und Anlegen von Gleich-Vorspannungen zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) und der Normalmasse (16), um die elektrostatischen Kräfte, die zwischen diesen wirken, linear proportional zur Beschleunigung zu machen.
20. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte zur Anwendung von Gegenkräften gegen die Beschleunigung auf die Normalmasse:
Anwenden einer elektrostatischen Kraft von einer Beeinflussungselektrode (30, 32) auf die Normalmasse (16); und Verhindern einer Berührung zwischen der Beeinflussungselektrode und der Normalmasse mit Hilfe einer Schutz-Elektrode (64, 66).
21. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die Reduzierung von Ausgleichsvorgängen bei Veränderungen der elektrostatischen Kräfte, die aus Differenzen in den Potentialen zwischen den Beeinflussungselektroden und den Schutz-Elektroden resultieren.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Reduzierung der Ausgleichvorgänge die Vergrößerung der Entfernung zwischen der Normalmasse und der Glasschicht (26, 28) zwischen den Beeinflussungselektroden (30, 32) und den Schutz-Elektroden (64, 66) beinhaltet.
23. Verfahren nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch das Aufbringen einer Widerstandsbeschichtung auf den Teilen der Glasschichten (26, 28) zwischen den Beeinflussungselektroden (30, 32) und den Schutz-Elektroden (64, 66), um eine konstante Potentialverteilung zwischen diesen zu erhalten.
24. Miniatur-Beschleunigungsmesser, gekennzeichnet durch zwei Elektrodenschichten (30, 32) mit metallischen Elektroden; eine Silizium-Normalmasse (16), die zwischen den Elektrodenschichten aufgehängt ist; eine Einrichtung, die auf die Elektroden anspricht, um ein Wechselspannungssignal an die Normalmasse (16) anzulegen; eine Einrichtung, die auf die Elektroden anspricht, um Gleichspannungssignale zu erfassen, die mit den Elektrodenschichten derselben gekoppelt sind; und eine Einrichtung, die auf die erfaßten Wechselspannungssignale anspricht, um unterschiedliche elektrostatische Kräfte zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) und der Normalmasse (16) anzuwenden, linear proportional zu den erfaßten Wechselspannungssignalen.
25. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch metallisierte Elektroden (30, 32), die sich über die Normalmasse (16) hinaus erstrecken.
26. Beschleunigungsmesser, nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur elastischen Montage des Beschleunigungsmessers.
27. Miniatur-Beschleunigungsmesser, gekennzeichnet durch zwei Elektrodenschichten (30, 32); eine Silizium-Normalmasse (16), die zwischen ihnen aufgehängt ist; und eine Vorrichtung, die auf unterschiedliche kapazitive Kopplungen zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) und der Normalmasse (16) anspricht, um gegen die Beschleunigungskräfte zu wirken, die auf diese einwirken.
28. Verfahren zum Erfassen einer Beschleunigung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Aufhängen einer Normalmasse (16) zwischen zwei Elektrodenschichten (30, 32);
Erfassen unterschiedlicher kapazitiver Kopplungen zwischen den Elektrodenschichten (30, 32) und der Normalmasse; und
Ausüben von Kräften auf die Normalmasse (16), in Abhängigkeit von der erfaßten Kopplung, um gegen die Beschleunigungskräfte zu wirken.
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