DE69521889T2 - Messaufnehmerkonstruktion mit l-förmigen federbeinen - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung
• Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Federmassenträgerkonstruktion, bei der eine Masse durch Federn gehalten wird, wobei Verlagerungen der federgetragenen Masse elektrostatisch oder in anderer Weise gemessen werden könnte, um ein Signal zu liefern, das proportional zu einer Eigenschaft der Bewegung, wie die Position, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung, die auf die Tragkonstruktion wirkt, ist.
Beschreibung des Standes der Technik
• Bisher Wurden Siliciumbeschleunigungsmesser oder Meßgeräte mit einer federgetragenen Masse in einer Tragkonstruktion gebaut. Zum Beispiel zeigt das US-Patent Nr. 4 922 756 vom 8. März 1990 von Henrion einen Siliciumbeschleunigungsmesser, in dem eine Federmassenträger-Sensorkonstruktion eine Probemasse besitzt, die in einem Tragrahmen durch mehrere E-förmige Blattfedern aus Siliciumdioxid getragen wird. Jede der Blattfedern besitzt eine Basis, an der zwei integrale äußere Beine und ein integrales inneres Bein befestigt sind. Das innere Bein ist mit der Masse verbunden, während die äußeren Beine mit dem Tragrahmen verbunden sind. Eine Verlagerung der an der Tragkonstruktion anliegenden Masse wird durch eine geeignete elektronische Schaltung gemessen, die so ausgelegt sein kann, daß sie eine analoge oder binäre Darstellung der auf die Tragkonstruktion wirkende Beschleunigung oder Geschwindigkeit oder der Position dieser Tragkonstruktion zur Verfügung stellt.
• US-Patent Nr. 4 144 516 von Aine vom 13. März 1979 offenbart einen Doppelblattfedertransducer, in dem ein Paar von E-förmigen Blattfedern zwischen einer zentralen Masse und einer äußeren Tragkonstruktion befestigt ist. Die E-förmigen Blattfedern sind in wechselseitig entgegengesetzter Beziehung eingebaut, so daß die Blattfederkonstruktionen so gekoppelt sind, daß eine gemeinsame Auslenkung relativ zu der umgebenden Tragkonstruktion in Antwort zur Auslenkung der Masse gegenüber der Tragkonstruktion erfolgt. Zur Detektion der Verlagerung der Masse ist eine kapazitive Detektoreinrichtung vorgesehen.
• US-Patent Nr. 4 535 436 vom 19. November 1985 von Hansson offenbart einen Siliciumbeschleunigungsmesser, bei dem eine zentrale Masse an ihren Ecken mit vier dünnen, flexiblen Federbeinen, die an einer äußeren Tragkonstruktion gesichert sind, verbunden ist. Die Beine erstrecken sich in einer einzigen Richtung parallel zu der Masse. Jedes Bein besitzt ein Ende, das rechtwinklig mit einer Seite der Masse an einer Ecke angrenzend verbunden ist. Die stationären Enden der Beine oder Federn sind mit dem Tragrahmen verbunden.
• US-Patent Nr. 4 641 539 vom 10. Februar 1987 von Vilimek zeigt eine Masse (Kraftaufnahmeelement genannt), die durch vier Tragfederbeine mit der Tragkonstruktion verbunden ist. Die Tragbeine erstrecken sich in einer Richtung parallel zur angrenzenden Kante der Masse und sind mit einem Ende an der angrenzenden Kante nahe einer Ecke der Masse verbunden. Das andere stationäre Ende eines jeden Beins ist mit der Tragkonstruktion oder Köper verbunden. Die Beine sind dünne, blattfederartige Streifen, die sich bei einer Verlagerung der Masse verbiegen. Die Verlagerung der Masse wird in einer gut bekannten Weise gemessen.
• Es ist wünschenswert, daß die zwischen einer Masse und deren angrenzenden Tragkonstruktion angeordneten Federglieder sehr unempfindlich gegen Stoßkräfte oder Stöße in Richtung senkrecht zu der Meßachse der Masse und der Tragkonstruktion sind und nicht knicken, wenn seitliche Kräfte an eine solche Tragkonstruktion angelegt werden. Viele der Rahmen-Feder- Massen-Konfigurationen aus dem Stand der Technik besitzen jedoch keine ausreichende Unempfindlichkeit gegen Beschleunigungen oder Drehbewegungen, die in der Ebene der Masse wirken, und die Federn solcher aus dem Stand der Technik bekannten Konfigurationen tendieren dazu, als Reaktion auf laterale Kräfte einzuknicken. Weiterhin ist es wünschenswert, daß ein Rahmenfedermassensystem extrem linear in seinen Messungen der Beschleunigung ist und sich durch eine minimale Belastung seiner Federn auszeichnet, wenn eine Kraft entlang seiner Meßachse angelegt wird. Viele Bauformen von Rahmenfedermassen aus dem Stand der Technik liefern keine genügende Linearität oder Minimierung der Federbelastung als Reaktion von einer an die Meßachse angelegten Kraft auf.
Angaben von Aufgaben der Erfindung
• Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Federmassenträgerkonstruktion zur Verfügung zu stellen, die für die Verwendung zusammen mit elektrischen Schaltungen vorgesehen ist, um einen hochauflösenden Sensor für Messungen von Beschleunigungen oder Geschwindigkeiten etc. entlang einer Meßachse zu schaffen und die eine sehr geringe Verzerrung und eine sehr geringe Empfindlichkeit für Beschleunigungen und Drehbewegungen quer zu der Achse besitzt.
• Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Federmassenträgerkonstruktion zu Verfügung zu stellen, in der die Federbeine eine Probemasse mit einem hohen Grad mechanischer Symmetrie tragen und die keinerlei Knicken der Beine während der Benutzung zeigt.
• Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Federmassenkonstruktion zur Verfügung zu stellen, die eine Messung der Beschleunigung mit einer hohen Linearität hinsichtlich einer entlang seiner Meßachse angelegten Beschleunigung liefert.
Zusammenfassung
• Die Erfindung sieht eine Sensorkonstruktion wie in den folgenden Ansprüchen beschrieben vor. Die Federglieder sind dünne flexible bandartige Federn mit einer L-Form, die in einem Zwischenraum zwischen der zentralen Masse und einem äußeren Rahmen befestigt sind. Der Ausdruck L-förmig wird manchmal auch auf ellbogenförmig bezogen. Beide Ausdrücke L- förmig und ellbogenförmig sollen die Form einer Feder mit zwei Schenkeln beschreiben, von denen jeder rechtwinklig zum anderen Schenkel ist, wobei die Schenkel nicht die gleiche Länge besitzen. Die innere Masse besitzt vorzugsweise eine im wesentlichen rechteckige Form, obgleich sie auch andere Formen, z. B. die eines Kreises haben kann. Der äußere Rahmen, der um die innere Masse montiert ist, besitzt ebenso bevorzugt eine im wesentlichen rechteckige Form, um die innere Masse darin mit einem Abstand aufzunehmen. Der äußere Rahmen kann auch eine andere Form besitzen. Der Ausdruck "im wesentlichen rechteckige Form" soll die Form der oberen und unteren Oberfläche beschreiben, die von rechtwinkliger oder quadratischer Form sein können.
• Die L-förmigen Federbandglieder sind in dem Zwischenraum zwischen der Masse und dem äußeren Rahmen angeordnet. Ein Paar übereinanderliegender L-förmiger Federglieder ist um jede echte oder virtuelle Ecke der Masse montiert, wobei ein Schenkel jedes L-förmigen Federgliedes an dessen Ende an der Masse befestigt ist und zwar mittig auf der Länge der angrenzenden Kante der Masse. Der andere Schenkel jedes L-förmigen Federgliedes ist an dessen Ende an dem äußeren Rahmen befestigt und zwar mittig auf der Läge der angrenzenden Kante des äußeren Rahmens. Als ein Ergebnis sind acht L-förmige Federglieder um echte oder virtuelle Ecken der Masse montiert, wobei ein Schenkel jedes Federgliedes an der Masse mittig auf der Länge der angrenzenden Kante der Masse befestigt ist so daß eine mechanische Symmetrie der Aufhängung der Masse hergestellt wird.
• Als ein Ergebnis der speziellen Eigenschaften der L-förmigen Federn und ihrer symmetrischen Aufhängung werden die Effekte von nicht achsparallelen Kräften, die auf die Masse einwirken können, minimiert. Eine solche Federaufhängung minimiert auch das Einknicken irgendeiner der Federn und erlaubt, daß die Masse auch Stöße mit einer Stärke von über 1000 g mit minimaler Empfindlichkeit aushält. Gemäß der Erfindung besitzen die L-förmigen Federn lange Schenkel im Vergleich zu den früheren Federmassenträgerkonstruktion. Solche langen Schenkel maximieren die Linearität der Rahmenfedermassenanordnung zur Messung der Beschleunigung und anderer Parameter.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Sensorkonstruktion, welche die vorliegende Erfindung bildet, und zeigt eine an den Federn befestigte Masse innerhalb einem äußeren Tragrahmen;
• Fig. 2 ist ein Längsschnitt der zentralen Masse, der Federn und des Tragrahmens der Sensoranrodnung, der in Fig. 1 gezeigt ist;
• Fig. 3 ist ein vertikaler Querschnitt der Sensoranordnung und
• Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines illustrativen Rückkopplungssteuersystems zur Detektion einer Beschleunigung, die an der Sensorkonstruktion der Erfindung anliegen.
Beschreibung der Erfindung
• Bezugnehmend auf die Fig. 1, 2 und 3 ist zum besseren Verständnis der Erfindung eine Sensorkonstruktion zur Benutzung mit einer elektrischen Schaltung, um einen Beschleunigungsmesser oder ein anderes bewegungsempfindliches Gerät zu bilden, allgemein unter 10 gezeigt. Der Seonsoraufbau 10 besitzt einen Körper mit einer oberen Abdeckung (oder Kappe) 12, einer unteren Abdeckung (oder Kappe) 14, einer zentralen (oder Probe-) Masse 16 zwischen der oberen Abdeckung 12 und der unteren Abdeckung 14 und einem im wesentlichen rechtwinkligen Rahmen 18, der darin diese zentrale Masse 16 zwischen den Abdeckungen 12 und 14 aufnimmt. Die Sensoranordnung 10 kann aus Wafern eines nicht metallischen monokristallinen Materials wie Silicium, Germanium, Quarz, Galliumarsenid, Galliumphosphat etc. hergestellt sein. Die zentrale Masse 16 kann eine Dicke von etwa 1000 Mikrometern oder weniger besitzen. Die zentrale Masse 16 besitzt eine obere Oberfläche 22 und eine untere Oberfläche 24, von denen jede Seiten besitzt, die im wesentlichen senkrecht zu benachbarten Seiten sind. Mit anderen Worten ausgedrückt besitzten die obere und untere Oberfläche vorzugsweise eine rechteckige oder quadratische Form, aber es sollte klar sein, daß die Ecken dieser Oberfläche geringfügig abgerundet sein können, wie in Fig. 2 gezeigt, oder sogar stark, so daß die Oberflächen im wesentlichen runder Gestalt sind. Die obere und untere Oberfläche 22, 24 sind im wesentlichen parallel. Die Seiten 26A, 26B, 26C und 26D der Masse 16 zwischen den Oberflächen 22 und 24 besitzen eine konkave V-Form und schneiden einander an den echten Ecken 28 (Fig. 1) oder virtuellen Ecken 28' (Fig. 2). Die Seiten 26A-26D besitzen obere und untere Kanten an der oberen bzw. unteren Oberfläche 22, 24. Die Masse 16 bei 30 (siehe Fig. 3) um ihre ganze peripherale Oberfläche von dem benachbarten rechteckigen Rahmen 18 beabstandet, um eine Öffnung oder einen Leerraum dazwischen festzulegen.
• Eine Federtragkonstruktion zum Aufhängen der Masse 16 an dem äußeren Rahmen 18 ist in dem Raum zwischen der Masse 16 und dem Rahmen 18 vorgesehen und enthält vier obere L- förmige Federglieder 32 und vier überlagerte untere L-förmige Fedeglieder 34. Wie in der Zusammenfassung oben angedeutet, werden die Ausdrücke L-Form und Ellbogenform in der Beschreibung zur Bezeichnung eine Form der Federglieder 32 und 34 benutzt, bei der die Federn senkrecht miteinander verbundene Schenkel ungleicher Länge besitzen. Obwohl die Schenkel ungleiche Länge haben, können diese Schenkel auch fast gleich lang sein, wobei die Verbindungen zur Masse und zum Rahmen dann beide nahe an der Mittellinie der Masse und des Tragrahmens sind. Die Federglieder 32 und 34 passen um die Ecken 28 der Masse 16, wobei die oberen Federglieder 32 mit der oberen Kante der Masse 16 an der oberen Oberfläche 16 angrenzend verbunden sind und die unteren Federglieder 34 mit der unteren Kante der Masse 16 angrenzend an die untere Oberfläche 24 verbunden sind.
• Jedes Federglied 32, 34 von jedem Paar übereinanderliegender Federn besitzt im allgemeinen die gleiche Form. Wie man in Fig. 3 sehen kann, wird der Verbund Masse 16 - Federn 32, 34 - Rahmen 18 in zwei Hälften hergestellt und zusammengefügt. Vor dem Zusammenfügen, d.h. wenn die untere Hälfte des Verbundes umgedreht wird, sind die Federn 34 die Spiegelbilder der oberen Federn 32.
• Folglich wird nur ein Federglied 32 im Detail beschrieben, weil die restlichen Federglieder 32, 34 im wesentlichen identisch sind. Federglied 32 ist eine L-förmige, dünne, flexible, bandartige Feder, die sich um eine Ecke 28 oder virtuelle Ecke 28' der Masse 16 erstreckt. Wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist, besitzt das Federglied 32 einen vergleichsweise kurzen Schenkel 38 und einen integralen, etwas längeren Schenkel 40. Obwohl die bevorzugte Ausführung so ist, wie in Fig. 2 gezeigt, könnte der Schenkel 38 auch länger als der Schenkel 40 bemessen sein. Das Ende 42 des Schenkels 38 ist in einer senkrechten Richtung am Endrahmen 18 innerhalb der Länge einer angrenzenden Seite des Rahmens 18 befestigt. Das Ende 44 des Schenkels 40 ist vorzugsweise in einer senkrechten Richtung an der Seite 26B in der Mitte der Länge der Seite 26B, wie insbesondere in Fig. 2 gezeigt, befestigt. Bei Einwirkung einer Kraft, die senkrecht zur Oberfläche 22 und 24 der Masse 16 wirkt, werden die oberen und unteren Federn 32 und 34 relativ zur Darstellung der Fig. 3 auf oder abwärts verlagert oder ausgelenkt. Auf diese Weise werden die Federn 32, 34 linear mit einer Eingangskraft, die senkrecht zur oberen oder unteren Oberfläche der Masse 16 angelegt wird, verformt. Eine solche lineare Bewegung der Federn ermöglicht eine extrem genaue Messung einer mit einer solchen Eingangskraft verknüpften Variablen durch die Messung der Verlagerung der Masse 16 aus deren Ruhelage. Eine solche Variable könnte beispielsweise die Beschleunigung oder die Geschwindigkeit sein.
• Die Masse 16 ist mit acht Federn, davon vier obere Federn 32 und vier darunter liegende Federn 34, eingespannt. Die Federn 32 und 34 streben dazu, sich gegenseitig im Gleichgewicht zu halten und jede Beschleunigung bewegt die Masse 16 gegen die Federn 32, 34. Die Federn 32, 34 sind vorzugsweise aus Silicium hergestellt. Die Länge jedes Schenkels und dessen Dicke muß genau kontrolliert werden, um die Federkonstante zu kontrollieren. Die L-Form (oder Ellbogenform) der Federn, von denen jeder Schenkel des L's ungefähr die gleiche Länge besitzt, trägt zur Linearität und zur Haltbarkeit des Sensors bei. Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung des rechteckigen Rahmens und der Massenkonstruktion ist mittels Halbleiterfabrikationstechnik. Der Rahmen 18 und die Masse 16 sind spiegelbildliche Hälften, die mit der ODE Ätztechnik hergestellt werden. Die zwei Hälften werden verbunden, um die gesamte Konstruktion aus Masse 16 und Träger oder Rahmen 18 zu bilden. Das Verfahren zur Herstellung der Federn 32, 34 mit L-Form zum Verbinden der Masse mit dem Rahmen ist im US- Patent 5 484 073 vom 16. Januar 1996 mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung aufgehängter Bauteile für Mikromaschinensensoren", das auf dem Inhaber dieser Anmeldung eingetragen ist, beschrieben. Eine derartige Anmeldung ist im Wege der Bezugnahme Bestandteil hiervon für die Beschreibung der bevorzugten Art der Herstellung solcher Federn.
• Die Linearität wird durch die Bauform in der bevorzugten Ausführung der Erfindung erzielt. Diese Bauform sieht eine große Länge der Federn 32 im Vergleich zur Strecke vor, über die sich die Masse 16 bewegt. In der bevorzugten Ausführung des Transducers der Fig. 1, 2 und 3 ist die Länge jeder Feder etwa 3000 um oder größer. Die Strecke, um die sich die Masse während der Messung einer Kraft (Beschleunigung) bewegt, ist etwa 1 um oder kleiner. Dementsprechend ist ein großes Verhältnis zwischen der Länge der Federn und der Strecke, über die sich die Masse bewegt, eine wichtige Eigenschaft der Bauform, um Linearität zu erzielen. Dieses Verhältnis sollte wenigstens 100 sein, aber der Sensor könnte auch so gebaut sein, daß das Verhältnis 3000 oder größer ist. In der bevorzugten Ausführung ist dieses Verhältnis 1800 zu eins.
• Andere vorteilhafte Eigenschaften der Bauform tragen ebenfalls zur hohen Linearität der Federmassenkonstruktion der Fig. 1 bis 3 bei. Die erste resultiert aus der Tatsache, daß eine geringe Belastung auf eine L-förmigen Federn 32, 34 aufgegeben wird, wenn die Probemasse 16 verlagert wird. Diese Eigenschaft rührt von der Tatsache her, daß die acht L-förmigen Federn es der Masse 16 erlauben, um einen kleinen Winkel zu rotieren, wenn die Masse 16 verlagert wird. Diese Rotation verringert die Zugbelastung, die sonst auf die Federn übertragen würde.
• Die zweite resultiert aus der Tatsache, daß die L-förmigen Federn aus dem gleichen Material wie das Ober- und Unterteil der Masse 16 und der Rahmen 18 bestehen. Diese einheitlichen Materialien von Feder, Masse und Rahmen erzeugen von der Verarbeitung her ein Minimum an remanenter Spannung an den L-förmigen Federn.
• Die dritte resultiert aus der ausgewogenen Konstruktion mit den vier oberen und unteren Federn, mit denen die Masse mit dem Rahmen verbunden ist.
• Vertikale Anschläge 45 (s. Fig. 3) sind vorgesehen, um die Bewegung der Masse 16 gegenüber dem Endrahmen 18 zu beschränken, um ein mechanisches und elektrostatisches Arretieren (latch-up) zu verhindern, das auftreten kann, wenn die Elektroden der Masse 16 und die komplementären Elektroden an den Abdeckungen 12, 14 sich zu nahe kommen. Die vertikalen Anschläge 45, die sich aus den Abdeckungen 12 und 14 erstrecken, dienen außerdem zum Beschränken der Bewegung der Masse 16 jenseits der Grenzen der Federn 32, 34, wenn große vertikale Stoßkräfte gegen die Masse 16 ausgeübt werden.
• Seitliche Anschläge (nicht gezeigt), die Vorsprünge umfassen, können am Endrahmen 18 angrenzend an den Federn 32, 34 vorgesehen sein. Solche seitlichen Anschläge würden dazu dienen, die Sensorkonstruktion vor extrem starken seitlichen Stoßkräften zu schützen. Die L- förmige Federbauform der Erfindung schützt das Federmassensystem der Konstruktion 10 inhärent vor seitlichen Stoßkräften, wodurch eine Bauform eines Sensors, wie die in den Fig. 3 bis 7 gezeigte geschaffen wird, welche die Notwendigkeit des Ausstattens mit separaten seitlichen Anschlägen beseitigt.
• Hohe laterale Stoßfestigkeit resultiert aus den bevorzugten Designfaktoren: (1) relativ dicke und einheitliche Federn ohne scharfe Unterbrechungen in deren Ecken (d.h. abgerundete Ecken) werden vorgesehen, (2) aus den Produktionsschritten (wie oben beschrieben) ergibt sich keine remanente Spannung in den Federn und (3) die ausgewogene Bauform mit acht Federn, von denen vier oben und vier unten in jeder Ecke jeweils eine liegen, ist vorgesehen. Dort, wo extrem große seitliche Stöße zu erwarten sind, können seitliche Anschläge vorgesehen werden.
• Fig. 3 zeigt die bevorzugte Ausführung der Feder-Massen-Rahmen-Konstruktion 10 mit L- förmigen Federn 32, 34. Die Abbildung zeigt den Sensor im Gleichgewicht mit der Gravitationskraft, wenn eine feste Gleichspannung oder eine Regelschleife, welche die Position der Probemasse erfaßt, die Masse auf eine "Nullposition" zurücksetzt. Mit anderen Worten ausgedrückt, "sinkt" die Masse an den Federn unter Einfluß der Gravitationskraft nicht ab. Natürlich schließt diese Ausführungsform der Erfindung in einer Sensorkonstruktion nicht aus, daß die Erfindung in einer nicht durch Gravitationskraft ausgeglichenen Ausführungsform benutzt wird.
• Der äußere Rahmen 18 besitzt einen oberen und einen unteren Abschnitt 18A, 18B. Der Abschnitt 18A enthält eine untere Schicht 20' aus massiven Silicium P&supmin;-Material und eine obere Schicht 20" aus EPI Silicium P&spplus;-Material. Eine Schicht 20''' von EPIP&spplus;&spplus;-Germanium trennt diese Schichten während des Herstellungsprozesses. Die entsprechenden Schichten des Unterteils 18B sind identisch zu den für das Oberteil 18A des äußeren Rahmens 18 beschriebenen. Eine Siliciumverschmelzungsbindung 21 ist mit gestrichelten Linien gezeigt, um anzudeuten, daß der obere Abschnitt 18A mit seinem spiegelbildlichen Abschnitt 18B verschmolzen wird, um den äußeren Rahmen 18 herzustellen. Die Probemasse 16 enthält entsprechende Teile, wie sie für den Rahmen 18 beschrieben worden sind. Die Federn 32, 34 verbinden die Probemasse 16 mit dem Rahmen 18. Diese Federn 32, 34 besitzen alle L-Form, wie in Fig. 2 gezeigt.
• Die obere und untere Abdeckung 12, 14 sind in Fig. 3 in einer auseinandergezogenen Querschnittsdarstellung für einen Eingangssensor gezeigt. Die obere Abdeckung 12 ist in der gleichen Weise wie die Abdeckung 14 gebaut; sie sind, abgesehen von elektrischen Verbindungen an der unteren Abdeckung 14, spiegelbildlich zueinander. Demgemäß wird hier nur die untere Abdeckung 14 beschrieben.
• Die Abdeckung 14 wird aus massiven P&supmin;-Silicium, wie durch Bezugszeichen 4 angedeutet, hergestellt. Eine P&spplus;-Diffusionsschicht 5 kann vorgesehen sein, wenn es notwendig ist, Schotkydiodeneffekten vorzubeugen. Aussparungen 6 sind entsprechend der Position der Federn 34 des Systems Rahmen 18-Federn 34-Probemasse 16 darüber vorgesehen. Eine Metallschicht 7 ist an der untere Abdeckung vorgesehen, um für den Sensor einen unteren elektrischen Kontakt zur Verfügung zu stellen. Eine Metallschicht 7' ist an der oberen Abdeckung 14 vorgesehen, um einen oberen elektrischen Kontakt für den Sensor zur Verfügung zu stellen. Die vertikalen Anschläge 45 und die vertikalen Ausformungen 46 sind aus Siliciumdioxid hergestellt.
• Eine Metallschicht 48 ist um die obere Oberfläche des Außenbereichs 14A der Abdeckung 14 vorgesehen (alternativ kann die Erweiterung 14A mit einer oberen Abdeckung 12 vorgesehen sein, wenn ein Sensor mit vier Anschlüssen verlangt wird). Ein solches Metall 48 erstreckt sich zu der oberen Oberfläche der Ausformung 46. Auf der unteren Oberfläche des Rahmens 18 und der Probemasse 16 ist eine Metallschicht 49 vorgesehen. Die Abdeckung 14 ist mit dem Rahmen 18 durch eine zwischen den Metallschichten 48 und 49 bereitgestellte Lötschicht 47 verbunden. In einer entsprechenden Weise ist die obere Abdeckung 12 mit der oberen Metallschicht 50 des Rahmens 18 verbunden. In der oberen Abdeckung 12 (oder alternativ in der unteren Abdeckung 14) ist eine Entlüftung 9 vorgesehen, um ein Vakuum zwischen der oberen und unteren Abdeckung herzustellen, um vorzubeugen, daß Luftmoleküle oder Verunreinigungen die Bewegung der Masse 16 gegenüber dem Rahmen 18 und gegenüber der oberen und unteren Abdeckung 12, 14 stören. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform eines Sensors gemäß der Erfindung ist die Entlüftung 9 nicht verschlossen, weil eine den Sensor der Fig. 1 bis 3 umgebende Packung vorgesehen sein kann, um den Sensor zu umhüllen und dabei das Eindringen von Luft in den Raum zwischen den Abdeckungen 12, 14 und der Rahmen 18-Federn 32-Masse 16 zu verhindern. Die Entlüftung 9 kann, nachdem ein Vakuum erzeugt wurde, verschlossen werden, wenn eine einhüllende Packung nicht vorgesehen ist. Auf den Federn 34 kann ein Metall aufgebracht werden, um eine leitende Verbindung von der Elektrode bei 14A zum Rahmen 18 und zur metallischen Oberfläche 49 der Masse 16 zu bilden.
• Als ein Beispiel der Benutzung der Sensorkonstruktion in einer Beschleunigungsmeßanordnung zeigt Fig. 4 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit leitenden Kraftbereichen 46, die an den gegenüberliegenden Oberflächen oder Flächen 22,24 der Masse 16 ausgebildet sind. Leitende Meßbereiche 48 an den Flächen 22, 24 umgeben die leitenden Kraftbereiche 46. Die Bereiche 46 und 48 sind voneinander mit geeigneten Schutzisolatoren elektrisch isoliert. Die einander entsprechenden Kraft- und leitende Meßbereiche 46A und 48A sind an angrenzenden oberen und unteren Platten oder Abdeckungen 12, 14 ausgebildet. Eine Leitung 55 verbindet die leitenden Kraftbereiche 46 an gegenüberliegenden Flächen 22, 24 der Masse 16. Eine Gleichspannung V1 ist zwischen den leitenden Meßbereichen 48A den gegenüberliegenden Platten 12, 14 angelegt und besitzt eine vorbestimmte Größe. Leitungen 56 sind mit den oberen und unteren leitenden Meßbereichen 48 der Masse 16 verbunden und erstrecken sich über eine Eingangsleitung 60 zu einem Differenzverstärker 58.
• Der Differenzverstärker 58 besitzt eine weitere Eingangsleitung 62, die mit einer Gleichspannung V2 vorbestimmter Größe verbunden ist. Die Spannung, die an Leitung 60 auftritt, ist proportional zu der Position der Masse 16 zwischen der oberen und der unteren Platte 12 und 14, weil die leitenden Meßbereiche 48 der Masse 16 in dem Weg des elektrischen Meßfelds angeordnet sind, welches durch die an den leitenden Meßbereichen 48 anliegenden Spannung V1 verursacht wird. Wenn die Masse 16 sich zum Bereich 48A der oberen Platte 12 bewegt, nähert sich die Spannung am Meßbereich 48 und an der Leitung 60 der Größe der Referenzspannung V1 an; und umgekehrt, wenn sich die Masse 16 zur unteren Platte 14 bewegt, nähert sich die Spannung am Meßbereich 48 der unteren Fläche 24 der Größe Null oder der Masse an. Eine Gleichspannung V3 einer vorbestimmten Größe ist an den leitenden Kraftbereich 46A der oberen Platte 12 angelegt. Die Spannung V3 kann von der gleichen Größe wie die Spannung V1 oder verschieden dazu sein.
• Eine Referenzgleichspannung V2 einer vorbestimmten Größe wird über Zuleitung 62 am Verstärker 58 angelegt. Als ein Ergebnis ist das Ausgangssignal an Leitung 64, das an den Filter 66 angelegt ist, ein Meßverlagerungssignal, das zum Abstand, um den sich die Masse 16 aus der Referenzposition bewegt hat, proportional ist. Das Verlagerungssignal an Leitung 64 wird im Filter 66 gefiltert und endet als ein Ausgabesignal an Leitung 68.
• Die Spannung V3, die zwischen den leitenden Kraftbereichen 46 der oberen und unteren Platten 12, 14 angelegt ist, verursacht ein elektrisches Kraftfeld quer durch die leitenden Kraftbereiche 46 der Masse 16. Eine negative Rückkopplungsschleife ist durch einen Ladegenarator 70 dargestellt, der in Antwort auf das Ausgabeverlagerungssignal von Leitung 74 ein Ausgabesignal an seiner Ausgabeleitung 72 erzeugt, um einen Betrag und eine Größe von elektrischer Ladung an die leitenden Kraftbereiche 46 zu geben, um die Masse 16 zu ihrer Referenzposition, die normalerweise auf halben Weg zwischen oberer und unterer Platte 12, 14 liegt, zu bewegen. Eine solche Ladegeneratorschaltung ist in dem vorher erwähnten US Patent Nr. 4 922 756 von Henrion, offenbart, welches im Wege der Bezugnahme Bestandteil hiervon ist.
• Daher bewirkt die Kraft oder die Beschleunigung, die auf den Sensor 10 angewandt wird, eine Verlagerung der Masse 16 durch eine Verformung der Federn 32 und 34. Die Verlagerung der Masse 16 aus der Referenzposition wird als ein Verlagerungssignal gemessen, welches den Ladegenerator 70 zur Erzeugung einer Ladung veranlaßt, die an die leitenden Kraftbereiche 46 angelegt wird, um die Masse 16 zu ihrer Referenzposition zurückzuführen. Die Verlagerung der Masse 16 ist direkt proportional zu einer Beschleunigung. Daher ist das Ausgabesignal von Leitung 68 ein analoges Signal, das für Beschleunigungsfrequenzen unterhalb der effektiven Resonanzfrequenz des Sensors oder des Tansducers 10 proportional zur Beschleunigung ist. Das Ausgabesignal kann an einem entfernten Ort zur Messung und zur Umwandlung in ein geeignetes digitales Signal, wie es gut bekannt ist, empfingen werden.
• Andere Schaltungen oder Verfahren können zur Messung der Beschleunigung (oder anderer Eigenschaften wie die Geschwindigkeit) des Sensors 10 vorgesehen sein, wie ein Beschleunigungsmeßgerät ähnlich zu dem der Fig. 4, aber unter Benutzung einer Wechselspannung, die zwischen den leitenden Meßbereichen und den leitenden Kraftbereichen angelegt wird. Für weitere Details geeigneter Anordnungen zur Messung der Beschleunigung mit einer Feder- Massen-Rahmen-Konstruktion sei z.B. auf US Patent Nr. 4 922 756 von Henrion verwiesen, dessen vollständige Offenbarung im Wege der Bezugnahme Bestandteil hiervon ist.
• Eine alternative bevorzugte Ausführungsform eines Beschleunigungsmeßgerätes ist ähnlich zu dem der Fig. 4, bei dem aber nur eine leitende Oberfläche an jeder der oberen und unteren Oberflächen der Masse 16 und der entgegensetzten Oberflächen der Abdeckungen 12, 14 aufgetragen ist. Die Meßsignale werden vom der oberen und der unteren Oberfläche 22, 24 der Masse 16 empfangen und Kraftsignale werden zeitlich getrennt im Multiplexverfahren an solche obere und untere Oberflächen 22, 24 angelegt. Weiterhin kann der Filter 66 der Vorwärtsschleife, wie in Fig. 4 gezeigt, einen Integrator enthalten, so daß ein Sigma-Daten- Modulations-System vorgesehen werden kann, wie in den oben erwähnten Henrion-Patent, das Bestandteil hiervon ist, besprochen ist.
• Die L-förmigen Federn 32, 34 tragen die Masse 16 innerhalb des Tragrahmens 18 in einer federnd ausgeglichenen Konfiguration mit einem hohen Grad mechanischer Symmetrie, weil die Federn 32, 34 mit der Masse 16 mittig der Länge der Massenseiten 26A, 26B, 26C und 26D verbunden sind. Als ein Ergebnis einer solchen mechanischen Symmetrie sind die Effekte von unerwünschten nicht achsenparallelen Kräften und Drehkräften minimiert. Die Masse 16 kann aus zwei Schichten oder Wafern, deren Rücken einander zugekehrt sind, mit vier Federn auf jeder Seite gebildet sein. Es können mechanische seitliche Anschläge vorgesehen sein, um die seitliche Bewegung der Federn 32, 34 und der Masse 16 zu begrenzen und um die Federn 32, 34 jenseits ihrer Grenzen, bei denen ein möglicher Schaden verursacht werden könnte, zu schützen. An den äußeren Platten 12, 14 können Bewegungsanschlagspfosten 45 vorgesehen sein, um die Bewegung der Masse 16 in der Richtung senkrecht zu der oberen und unteren Oberfläche der Masse 16 zu begrenzen. Auf diese Weise übersteht der Sensor 10 Stoßkräfte von über 1000 g ohne irgendwelchen Schaden.
• Obwohl es bevorzugt ist, die Enden der Federn aus den oben genannten Gründen an dem Mittelpunkt der oberen und unteren Oberfläche 22, 24 der Masse 16 zu befestigen, können die Federn 32, 34 außerhalb eines solchen Mittelpunktes, sogar in Richtung der Enden der Seiten der oberen und unteren Oberflächen 22, 24 befestigt sein. Dementsprechend besitzen die Federn für diese Bauform Schenkel mit einer größeren unterschiedlichen Länge als in der bevorzugten Ausführungsform, in der die Federschenkel ungefähr die gleiche Länge haben.
• Es soll nun erkannt werden, daß eine neue und verbesserte Sensorkonstruktion offenbart wurde, die alle Aufgaben der vorliegenden Erfindung erfüllt und die zahlreiche, hier dargestellter Besonderheiten und Vorteile umfaßt. Da verschiedene Änderungen oder Modifikationen in der offenbarten Ausführungsform gemacht werden können, ohne von dem zugehörigen erfinderischen Konzepten abzuweichen, sollen die folgenden Ansprüche alle derartigen Änderungen und Modifikationen, die in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen, abdecken.

Claims (15)

1. Sensorkonstruktion (10) mit

einem äußeren Tragrahmen (18) mit vier Rahmenteilen, von denen jedes senkrecht zu zwei anderen der vier Rahmenteile steht, wobei die Rahmenteile eine zentrale Öffnung bilden und jedes der vier Rahmenteile eine Seite besitzt, die nach innen zur zentralen Öffnung weist,

einer beweglichen Masse (16), die in der zentralen Öffnung plaziert ist und die vier Massenseiten (26A, 26B, 26C, 26D) aufweist, wobei jede von diesen Massenseiten nach außen weist und senkrecht zu zwei anderen dieser Massenseiten steht und die bewegliche Masse (16) so gebaut und dimensioniert ist, daß sie in die zentrale Öffnung paßt, so daß vier seitliche Zwischenräume festgelegt sind, wobei jeder dieser Zwischenräume zwischen der jeweiligen Seite der Masse und einer entsprechenden Rahmenteilseite, die parallel zu der jeweiligen entsprechenden Seite der Masse ist, festgelegt ist und jeder der vier seitlichen Zwischenräume einen Verbindungsraum mit einem anderen seitlichen Zwischenraum an einem Ort bildet, der bezogen auf den Schnittpunkt (28) zweier Massenseiten der vier Massenseiten außerhalb und bezogen auf den Schnittpunkt zweier Rahmenteilseiten der vier Rahmenteilseiten innerhalb liegt, gekennzeichnet durch

vier L-förmige Federn (32), von denen jede erste und zweite (44) Enden aufweist, wobei das erste Ende (42) mit einer Tragrahmenteilseite der vier Rahmenteile und das zweite Ende (44) mit einer der vier Massenseiten, die senkrecht zu der einen Tragrahmenteilseite steht, verbunden ist,

wobei jede L-förmige Feder einen ersten Schenkel (40) aufweist, der mit einem zweiten Schenkel (38) in einem Verbindungsbereich verbunden ist, wobei bei jeder L- förmigen Feder der erste Schenkel (40) nur mit einer der vier Tragrahmenteilseiten verbunden ist, wobei der erste Schenkel (40) innerhalb eines ersten seitlichen Zwischenraums positioniert ist, und der zweite Schenkel (38) nur mit einer der vier Massenseiten, die senkrecht zu der besagten Tragrahmenteilseite steht, verbunden ist, wobei der zweite Schenkel (38) innerhalb eines zweiten seitlichen Zwischenraums, der senkrecht zu dem ersten seitlichen Zwischenraum steht, positioniert ist, und der Verbindungsbereich jeder L-förmigen Feder (32) in dem Verbindungsraum außerhalb der Mündungsstelle des ersten und zweiten seitlichen Zwischenraums positioniert ist.

2. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 1, wobei ein Paar mit Abstand übereinanderliegende Federn (32) in jedem Verbindungsraum der Seiten der Masse (16) montiert ist, bei jeder dieser übereinanderliegenden Federn (32) ein Schenkel (38) mit einer Seite der Masse verbunden ist und ein anderer Schenkel mit dem äußeren Tragrahmen (18) verbunden ist.

3. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 2, wobei jede Feder (32) eine dünne flexible Feder aufweist, die aus einem Material gebaut ist, das im wesentlichen das gleiche ist, wie das der oberen und unteren Oberfläche der Masse (16) und des Tragrahmens (18).

4. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 3, wobei jede der übereinanderliegenden Federn einen Schenkel umfaßt, der mit einer der Seiten der Masse im wesentlichen in der Mitte der Länge der einen Seite der Masse verbunden ist und das andere Bein mit einer der Tragrahmenseiten, die senkrecht zu der genannten einen Seite der Masse steht, verbunden ist.

5. Sensorkonstruktion (10) gemäß Anspruch 1, welche ferner aufweist:

obere und untere am Rahmen befestigte Abdeckplatten, wobei diese Platten der oberen bzw. unteren Oberfläche der Masse gegenüber stehen, und

vertikalen Anschlagteilen, die sich von der oberen Platte nach unten und von der unteren Platte nach oben zur Berührung der oberen und unteren Oberfläche erstrecken, um eine übermäßige vertikale Bewegung der Masse gegenüber dem Tragrahmen zu verhindern, um eine elektrostatische Arretierung und eine übermäßige Auslenkung der Masse zu verhindern.

6. Sensorkonstruktion (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Masse obere und untere Oberflächen mit vier Seiten besitzt und wobei bei jeder L-förmigen Feder der zweite Schenkel mit einer Massenseite in dem mittleren Teil der oberen oder unteren Oberfläche der Masse verbunden ist und der erste Schenkel ungefähr im mittleren Bereich einer Rahmenteilseite, die senkrecht zu der oberen oder unteren Oberfläche der Masse steht, an der der zweite Schenkel befestigt ist, verbunden ist.

7. Sensorkonstruktion (10) gemäß Anspruch 6, wobei vier L-förmige Federn eine obere Seite der Masse mit dem Tragrahmen verbinden und vier L-förmige Federn eine untere Seite der Masse mit dem Tragrahmen verbinden.

8. Sensorkonstruktion (10) gemäß Anspruch 1, wobei ein Paar übereinanderliegende allgemein L-förmige Federn um jeden Verbindungsraum der Masse angeordnet ist.

9. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 8, wobei jede L-förmige Feder des Federpaares eine identische Form besitzt und spiegelbildlich zu der anderen Feder des Federpaares ist, wenn man von der oberen oder unteren Seite auf die Sensorkonstruktion blickt.

10. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 1, ferner mit oberen und unteren Abdeckplatten, die an dem Tragrahmen mit einem Abstand zur Masse in deren Nähe befestigt sind.

11. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 1, wobei vier obere L-förmige Federn (32) eine obere Seite der Masse (16) mit oberen Seiten des Tragrahmens verbinden und vier untere L-förmige Federn (32) eine untere Seite der Masse (16) mit unteren Seiten des Tragrahmens (18) verbinden.

12. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 11, wobei jede der vier oberen und unteren L- förmigen Federn so gebaut und angeordnet ist, daß ihre Länge wesentlich größer ist als die Verlagerungsdistanz der Masse, die mit den Federn (32) am Tragrahmen aufgehängt ist, so daß ein Verhältnis der Länge der Federn (32) zu der Verlagerungsdistanz der Masse wenigstens 100 zu 1 beträgt, wobei die Verlagerungsdistanz der Masse die Distanz ist, um die sich die Masse gegenüber dem Tragrahmen (18) in einer zu der oberen und unteren Seite der Masse senkrechten Richtung bewegt.

13. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 12, wobei das Verhältnis der Federlänge zu der Verlagerungsdistanz der Masse ungefähr 1800 zu 1 ist.

14. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 11, wobei die vier L-förmigen Federn (32), die eine obere Seite der Masse mit dem Tragrahmen verbinden, in der Form identisch zu den vier L-förmigen Federn (32) sind, welche die untere Seite der Masse (16) mit dem Tragrahmen verbinden, wobei die Masse (16) sich um einen kleinen Winkelbereich drehen kann, wenn die Masse verlagert wird, was zur hohen Linearität der Sensorkonstruktion beiträgt.

15. Sensorkonstruktion (10) nach Anspruch 11, wobei die vier oberen Federn (32) und die vier unteren Federn (32) aus im wesentlichen identischem Material wie die obere und untere Seite der Masse (16) und die obere und untere Seite des Tragrahmens (18) hergestellt sind, was zur hohen Linearität der Sensorkonstruktion beiträgt.