DE3638390A1 - Vibrations-beschleunigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Beschleunigungsmesser, auf Beschleunigungsmeßumwandler zur Erzeugung eines Signals, das die Beschleunigungsgröße entlang einer bestimmten Achse anzeigt, sowie insbesondere auf Vibrations-Beschleunigungsmesser.

Die Erfindung betrifft Trägheitsmeßgeräte, insbesondere Beschleunigungsmesser und Vibrations-Gyroskope.

Vibrations-Gyroskope liefern ein Maß für eine einem schwingenden Element aufgeprägte Winkelgeschwindigkeit durch Erzeugung eines Signals, das für das schwingende Element beaufschlagende Drehkräfte infolge der aufgeprägten Winkelgeschwindigkeit repräsentativ ist.

Beim Stand der Technik verwenden Vibrations-Gyroskope und Beschleunigungsmesser eine Stimmgabel, einen schwingenden Arm oder Draht als Vibrationselement. Die bekannten Gyroskope und Beschleunigungsmesser sind jedoch nicht ohne weiteres für die Miniaturisierung oder die Massenfertigung geeignet.

Es ist bekannt, einen einen schwingenden piezoelektrischen Arm aufweisenden Schwingarm-Beschleunigungsmesser zu bauen, der gegenüber einer Beschleunigung entlang der schwingenden Längsachse des Arms empfindlich ist. Beschleunigung entlang der Achse verschiebt die Resonanzfrequenz, und die Frequenzverschiebung dient als Maß für die Beschleunigung. Ferner sind auf dem gleichen Prinzip beruhende Schwingdraht- Beschleunigungsmesser bekannt, bei denen das schwingende Element ein gespannter Schwingdraht ist. Beschleunigung entlang der Achse des Drahts vermindert die mechanische Spannung, wodurch wiederum die Eigenfrequenz verschoben wird. Durch geignete Instrumente wird die Frequenzverschiebung in ein Maß für die Beschleunigung umsetzt.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, einen Beschleunigungsmesser oder ein Seismometer zu bauen unter Bildung einer mikromechanischen Struktur, bei der ein Gewicht auf einer elastischen Membran oder einem Paar entgegengesetzten elastischen Armen angeordnet ist (z. B. GB-Patentanmeldung 21 30 373, veröffentl. 31. Mai, 1984). Bei dieser Vorrichtung bezeichnet die Verschiebung des Gewichts die Beschleunigung in Verschiebungsrichtung.

Jede der sogenannten Konstruktionen führt zu einem Instrument, dessen mechanischer Grundteil einfach ist. Die meisten dieser Konstruktionen verlangen jedoch noch einen weiteren Aufbau oder adaptive Schaltkreise, die nicht ohne weiteres für Mikrominiaturisierung und Massenfertigung in Form einzelner Chips geeignet sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Trägheitsmeßgeräts, das für Ausführungsformen mit kleiner Geometrie geeignet ist; ferner soll das Trägheitsmeßgerät leicht unter Anwendung von Massenfertigungsverfahren aufbaubar sein; es soll ferner eine neue Konstruktion für ein Meßgerät zur Lieferung einer Anzeige der Beschleunigung entlang einer Achse angegeben werden; weiterhin soll das Meßgerät ein digitales Ausgangssignal liefern, das der Beschleunigung entlang einer Achse entweder direkt proportional oder eine bekannte Funktion davon ist; ferner soll das Meßgerät verbesserte Auflösung haben; weiter soll ein Meßgerät in Form einer mikromechanischen Vorrichtung geschaffen werden; außerdem soll ein Meßgerät mit in IS-Technik darauf vorgesehenen Ansteuer- und Fühlerschaltungen angegeben werden; ferner soll ein Meßgerät geschaffen werden, das geeignet ist zur direkten Integration der erfaßten Beschleunigung und Lieferung eines dafür repräsentativen digitalen Ausgangssignals.

Das Trägheits-Meßgerät nach der Erfindung hat eine Eingangs- bzw. Z-Achse. Das Meßgerät umfaßt eine dünne Platte und ein zugehöriges Substrat. Das Substrat stützt die Randzone der dünnen Platte in einer zur Z-Achse senkrechten Ebene ab, wobei diese Ebene eine erste Bezugsachse X und eine zweite Bezugsachse Y umfaßt und wobei die X- und die Y-Achse zueinander senkrecht stehen und die Z-Achse in einem gemeinsamen Punkt schneiden. Die dünne Platte umschließt ein erstes Paar gegenüberliegende C-förmige Hohlraumbereiche, die symmetrisch um die Y-Achse und den gemeinsamen Punkt angeordnet sind. Die zwischen den gegenüberliegenden Enden der Hohlraumbereiche liegenden Plattenabschnitte sind biegsam und bilden Biegeabschnitte.

Bei einem Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung hat der Plattenabschnitt innerhalb der Hohlraumbereiche ein Massenungleichgewicht an der Y-Achse, d. h., eine Seite hat eine größere Masse als die andere Seite. Fühler dienen der Erzeugung von Signalen entsprechend der Winkellage des inneren Abschnitts der Platte um die Y-Achse. Diese Signale bezeichnen die Beschleunigung des Fühlers in Richtung der Z-Achse. Bei einigen Ausführungsformen können diese Signale genutzt werden zur Ansteuerung von Drehmoment-Erzeugern, die den Innenabschnitt der Platte dynamisch in der X-Y- Ebene halten, wobei die Rückdrehmomente die Fühlerbeschleunigung bezeichnen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umschließt ein innerhalb der ersten C-förmigen Hohlraumbereiche befindlicher erster Plattenabschnitt ein zweites Paar gegenüberliegende C-förmige Hohlraumbereiche. Die C-förmigen Hohlraumbereiche des zweiten Paars sind symmetrisch um die X-Achse und den gemeinsamen Punkt angeordnet, und Biegeabschnitte verlaufen zwischen den gegenüberliegenden Enden des zweiten Paars von Hohlraumbereichen, so daß daran pendelartig ein zweiter Abschnitt der dünnen Platte innerhalb des zweiten Paars für eine Winkelbewegung um die X-Achse aufgehängt ist. Der zweite Plattenabschnitt hat ein Massenungleichgewicht an der X-Achse, undd sein Schwerpunkt liegt außerhalb der Nominalebene der dünnen Platte, so daß eine Beschleunigung entlang der Z-Achse das Trägheitsmoment um die Y-Achse der Gesamtanordnung aus ersten und zweiten Plattenabschnitten ändert. Durch Treiben des ersten Plattenabschnitts mit seiner Eigenfrequenz um seine Biegeabschnitte und durch Messen von Änderungen dieser Eigenfrequenz der Bewegung wird ein Ausgangssignal erhalten, das der Beschleunigung entlang der Z-Achse proportional ist.

Ganz allgemein weist ein Beschleunigungsmeßwandler ein Substrat auf, das eine Randzone der dünnen Platte in einer zu einer Eingangsachse Z senkrechten Ebene abstützt. Ein innerer Abschnitt der dünnen Platte ist an dem Substrat durch eine erste Federanordnung aufgehängt, die eine Schwingbewegung dieses Abschnitts in Form begrenzter Winkelauswanderungen um eine Mittenachse, die in der Ebene der Randabstützung der dünnen Platte liegt, erlaubt. Ein Gewicht ist an Federn an der dünnen Platte derart aufgehängt, daß eine beschleunigungs-induzierte Verschiebung des Schwerpunkts des Gewichts möglich ist, wobei diese Verschiebung eine Komponente entlang der Eingangsachse hat. Beschleunigung entlang der Eingangsachse ändert das Trägheitsmoment der aus dünner Platte und Gewicht bestehenden Baugruppe um die Mittenachse, wodurch die Frequenz der Schwingbewegung um einen Betrag geändert wird, der funktionell zu der Größe der Beschleunigung in Beziehung steht. Es sind Mittel vorgesehen, um die dünne Platte mit ihrer Eigenfrequenz anzusteuern und ihre Schwingungsfrequenz zu messen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt ein erster Meßwandler ein Gewicht, das an der dünnen Platte mit Versetzung in einer ersten Richtung entlang der Eingangsachse aufgehängt ist, und ein zweiter Meßwandler umfaßt ein Gewicht, das eine Versetzung zu der dünnen Platte in Gegenrichtung entlang der Eingangsachse aufweist. Die Änderung der Schwingungsfrequenz des zweiten Meßwandlers wird von derjenigen des ersten Meßwandlers subtrahiert unter Bildung einer Ausgangsgröße, die eine ungefähr lineare Beziehung zur Beschleunigung hat. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die dünnen Platten, Federn und Gewichte feinstmechanische Vorrichtungen, die unter Anwendung von Halbleiter- Fertigungstechniken gebildet sind. Es werden Herstellungsverfahren für Silicium- und Siliciumoxid-Ausführungsformen angegeben. Ferner werden elektrostatische Ansteuermittel zur Ansteuerung der dünnen Platte sowie die kapazitiven Aufnehmer zur Erfassung ihrer Schwingung gezeigt.

Ganz allgemein ist bei der Gyroskop-Ausführungsform der Erfindung ein im wesentlichen planes Gyroskop so angeordnet, daß es in Kombination einen Schwingungsmoment-Vektor und einen meßbaren Schwingungsdrehmoment-Ausgangswert aufgrund eines aufgeprägten Winkeleingangswerts erzeugt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen umfaßt die dünne Platte des Gyroskops wenigstens ein planes inneres Element, das so angeordnet ist, daß es mit einer ausgewählten Frequenz um die Y-Achse schwingt. Das innere Element ist ferner so angeordnet, daß es aufgrund einer um die Eingangs- bzw. Z-Achse aufgeprägten Winkelgeschwindigkeit um die X-Achse neigbar ist. Das Gyroskop umfaßt wenigstens ein äußeres planes Ansteuerelement, das unter begrenzter Auslenkung um die Y-Achse mit der ausgewählten Frequenz schwingend ansteuerbar ist (z. B. von einer elektrostatischen oder elektromagnetischen Kraft). Das Ansteuerelement ist mit dem inneren Element so gekoppelt, daß die Schwingbewegung des Ansteuerelements eine Schwingbewegung des inneren Elements erzeugt. Lagefühler liefern Signale entsprechend der Winkellage des inneren Elements relativ zu X-Achse, die wiederum repräsentativ sind für Winkelgeschwindigkeiten, die der Vorrichtung um die Z-Achse aufgeprägt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Vibrations-Gyroskop eine Mehrzahl innere Elemente aufweisen, die mit seinem Ansteuerelement gekoppelt sind, oder es kann alternativ ein einziges inneres Element, das mit dem Ansteuerelement gekoppelt ist, aufweisen.

Die plane Geometrie gemäß der Erfindung erlaubt die Herstellung von Trägheitsmeßgeräten aus dünnen Platten oder Folien unter Anwendung kostengünstiger Massenfertigungsverfahren. Bei einigen Ausführungsformen können die Meßgeräte durch Stanzen einer einzelnen dünnen Platte, z. B. aus Stahl oder Aluminium, hergestellt werden. Bei anderen Ausführungsformen können Miniatur-Trägheitsmeßgeräte aus einem dünnen Film eines Dielektrikums (z. B. SiO₂, Si₃N₄ oder (SiO₂) _x (Si₃N₄) _y ) auf einem Siliciumsubstrat unter Anwendung konventioneller Halbleiterätzverfahren hergestellt werden. Insbesondere bei Anwendung der letztgenannten Technik können viele Miniatur-Trägheitsmeßgeräte mit kleiner Geometrie auf einem einzigen Halbleiterchip ausgebildet werden, was die ökonomische Nutzung redundanter Trägheitsmeßgeräte mit dadurch erheblich gesteigerter Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit für Trägheitsrichtsysteme erlaubt. Ferner erlaubt die kleine Geometrie der Trägheitsmeßgeräte nach der Erfindung den Einsatz elektrostatischer Steuermittel, wodurch relativ niedrige Spannungssignale relativ große Ansteuerkräfte und Ausgangssignale liefern können.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines flachen Trägheitsmeßgeräts gemäß der Erfindung in Form eines Vibrationsgyroskops;

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Ausführungsform von Fig. 1 entlang der X-Achse;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Ausführungsform von Fig. 1 entlang der Y-Achse;

Fig. 4 die Ansteuersignale für das Antriebselement des Gyroskops nach den Fig. 1-3;

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein flaches Trägheitsmeßgerät nach der Erfindung in Form eines Beschleunigungsaufnehmers;

Fig. 7 eine Perspektivansicht von oben auf einen Beschleunigungsmeßwandler gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 7 entlang der Y-Achse;

Fig. 9 einen Vertikalschnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 7 entlang der X-Achse;

Fig. 10 ein schematisches Blockschaltbild eines integrierenden Beschleunigungsaufnehmers mit mehreren Meßwandlern;

Fig. 11 eine Perspektivansicht von oben auf einen weiteren Meßwandler nach der Erfindung; und

Fig. 12 einen Schnitt durch den Meßwandler nach Fig. 11.

Die Fig. 1-3 zeigen ein Gyroskop 10. Dieses umfaßt eine praktisch ebene, relativ dünne Platte bzw. Folie 6, deren äußere Begrenzung in einer Ebene liegt, die durch zueinander senkrechte, sich schneidende Bezugsachsen X und Y definiert ist. Eine zur X- und zur Y-Achse orthogonale Eingangs- bzw. Z-Achse schneidet diese Achsen in einem gemeinsamen Punkt 7. Die dünne Platte 6 ist an den Rändern des Gyroskops 10 so gelagert, daß die Abschnitte der dünnen Platte 6, die von diesen Rändern nach innen liegen, über einem Substrat bzw. einer Basis 8 positioniert und davon beabstandet sind. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat z. B. nur an den Randabstützungen unter der dünnen Platte 6 liegen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform weist die dünne Platte 6 ein erstes Paar gegenüberliegende C-förmige Hohlraumbereiche 12 und ein zweites Paar gegenüberliegende C-förmige Hohlraumbereiche 14 auf. Dabei bezieht sich "C-förmig" allgemein auf die Form der jeweiligen Bereiche, von denen jeder einen Abschnitt aufweist, der ca. 180° um einen Mittelpunkt verläuft (z. B. schließt "C-förmig" einen Halbkreis ein, der um 180° um seine Mitte verläuft; C-förmig umfaßt auch zwei lineare Segmente, die an ihren Enden "V"-artig miteinander verbunden sind). Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Hohlraumbereiche des Paars 12 ebenso wie die des Paars 14 im wesentlichen deckungsgleich. Die Hohlraumbereiche 12 sind größer als die Hohlraumbereiche des Paars 14, wobei die Hohlraumbereiche des Paars 12 symmetrisch um die Y-Achse und den gemeinsamen Punkt 7 und die Hohlraumscheibe des Paars 14 symmetrisch umm die X-Achse und den gemeinsamen Punkt 7 angeordnet sind. Bei anderen Ausführungsformen müssen die gegenüberliegenden Hohlraumbereiche nicht deckungsgleich sein.

Die Abschnitte der Platte 6 zwischen den gegenüberliegenden Enden der Hohlraumbereiche des Paars 12 (in Fig. 1 mit 20 und 22 bezeichnet) und die Abschnitte der Platte 6 zwischen den gegenüberliegenden Enden der Hohlraumbereiche des Paars 14 (in Fig. 1 mit 24 und 26 bezeichnet) sind relativ biegsam und bilden eine Biegeeinheit, die den außerhalb der Hohlraumbereiche 14 liegenden Abschnitt der Platte 6 mit dem innerhalb der Hohlraumbereiche 14 liegenden Abschnitt derselben verbindet. Infolgedessen ist die Platte auf einer Seite jedes dieser Abschnitte mit der Platte auf der anderen Seite der entsprechenden Abschnitte so verbunden, daß eine begrenzte Drehbewegung der einen Seite in bezug auf die andere Seite um die durch diese Abschnitte verlaufende Achse möglich ist.

Bei dieser Ausführungsform bilden die Hohlraumbereiche des Paars 14 und die Biegeabschnitte 24 und 26 der Platte 6 ein inneres oder Trägheitselement 30; d. h., das Element befindet sich im wesentlichen innerhalb der Hohlraumbereiche des ersten Paars 14. Der Abschnitt der Platte 6, der von den Hohlraumbereichen des Paars 12, den Biegeabschnitten 20 und 22, den Hohlraumbereichen des Paars 14 und den Biegeabschnitten 24, 26 begrenzt ist, definiert ein Ansteuerelement 32 des Gyroskops 10; d. h., das Element 32 liegt im wesentlichen innerhalb der Hohlraumbereiche des Paars 12. Das Antriebselement 32 kann begrenzte Winkelverschiebungen um die Y-Achse relativ zur äußeren Begrenzung der Platte 6 (die an ihren Rändern von dem Substrat 8 abgestützt ist) erfahren, soweit dies die Biegeabschnitte 20 und 22 erlauben. Ebenso kann das innere Element 30 begrenzte Winkelverschiebungen um die X-Achse relativ zu dem Ansteuerelement 32 erfahren, soweit dies die Biegeabschnitte 24 und 26 erlauben.

Bei dieser Ausbildung ist das Ansteuerelement 32 im wesentlichen plan und liegt in einer Ebene, die definiert ist durch die Y-Achse und eine X′-Achse (die zu der Y-Achse senkrecht ist und diese im gemeinsamen Punkt 7 schneidet). Das innere Element 30 ist ebenfalls im wesentlichen plan und liegt in einer Ebene, die definiert ist durch die X′-Achse und eine Y′-Achse (die zu der X′-Achse senkrecht ist und sie im gemeinsamen Punkt 7 schneidet). In den Fig. 1-3 sind die X- und X′-Achsen ebenso wie die Y- und Y′-Achsen als koaxial gezeigt. Im Betrieb ist jedoch die X′-Achse in bezug auf die X-Achse im wesentlichen periodisch winkelmäßig versetzt, und die Y′-Achse ist in bezug auf die Y-Achse winkelmäßig versetzt, und zwar in einer Weise, die mit einer auf das Gyroskop 10 wirkenden Winkelgeschwindigkeit in Beziehung steht.

Bei der vorliegenden Ausführungsform weist das innere Element 30 auf seiner in X′-Richtung verlaufenden Oberfläche einen langen Stab 31 auf. Wie noch erläutert wird, ist dieser Stab 31 nur ein Beispiel zur Erzielung einer erwünschten Beziehung zwischen den Trägheitsbewegungen des Elements 30 um die X′Y′- und Z′-Achsen, die zur Schaffung einer erwünschten Empfindlichkeit des Gyroskops 10 erforderlich ist.

Im wesentlichen ist die Platte 6 elektrisch nichtleitend. Wie gezeigt, umfaßt das innere Element 30 elektrisch leitende Empfindlichkeitszonen 40 und 42 auf der Oberfläche dieses Elements 30. Bei alternativen Ausführungsformen können die Zonen 40 und 42 auf der Unterseite des Elements 30 oder auf der Ober- und der Unterseite des Elements 30 vorhanden sein. Die Zonen 40 und 42 sind über Leiterbahnen 40 a und 42 a elektrisch an eine externe elektrische Schaltung angeschlossen. Die Empfindlichkeitsbereiche 40 und 42 sind so ausgebildet, daß sie entgegengesetzt zu flachen leitenden Elementen vorgesehen sind, die in bezug auf das Substrat 8 fixiert sind. Wenn das Substrat 8 elektrisch leitend ist, kann es das leitende Element gegenüber den Zonen 40 und 42 bilden. (Bei anderen Ausführungsformen können einzelne leitende Elemente in bezug auf das Substrat 8 festgelegt sein.) Gemeinsam bilden die Paare von entgegengesetzten leitenden Elementen einen kapazitiven Lagemeßwertumformer, dessen Kapazität die Winkellage des inneren Elements 30 um die X-Achse (d. h., den durch die Y- und die Y′-Achsen gebildeten Winkel) bezeichnet.

Das Ansteuerelement 32 weist auf seiner Oberfläche zwei leitende Ansteuerzonen 46 und 48 auf. Ebenso wie die Zonen 40 und 42 bei anderen Ausführungsformen können auch die Zonen 46 und 48 auf der Unterseite des Elements 32 oder auf der Ober- und der Unterseite desselben ausgebildet sein. Die Zonen 46 und 48 sind über Leiterbahen 46 a und 48 a elektrisch an externe Schaltungen angeschlossen. Die Ansteuerzonen 46 und 48 sind so ausgebildet, daß sie ebenen leitenden Elementen gegenüberliegen, die in bezug auf das Substrat fixiert sind. Wenn das Substrat 8 leitend ist, kann es selbst als leitendes Element gegenüber den Elementen 46 und 48 dienen. Gemeinsam können diese Paare entgegengesetzter Elemente selektiv gesteuert werden zur Erzeugung elektrostatischer Kräfte zum Treiben des Ansteuerelements 32 in Schwingbewegung um die Y-Achse (d. h., derart, daß der durch die X′- und die X-Achsen gebildete Winkel eine zeitliche Schwingungsfunktion ist).

Ein Signalgeber erzeugt ein erstes Ansteuersignal (das an den durch die Ansteuerzone 46 und ihr entgegengesetztes leitendes Ansteuerelement gebildeten Kondensator angelegt wird) und eine zweite Ansteuerspannung (die an den durch die Ansteuerzone 48 und ihr entgegengesetztes leitendes Ansteuerelement gebildeten Kondensator angelegt wird). Das erste und das zweite Ansteuerspannungssignal sind periodisch und haben die gleiche Grundfrequenz und somit identische Periodenzahl sowie eine von Null verschiedene Gleichspannungskomponente, wobei das erste Ansteuerspannungssignal relativ zum zweiten Ansteuerspannungssignal um 180° phasenversetzt ist. Bei Verwendung von bipolaren Signalen sind diese asymmetrisch, wie z. B. in Fig. 4 gezeigt ist.

Da das Ansteuersignal die elektrostatischen Kräfte zwischen den leitenden Elementen der jeweiligen Kondensatoren wechselt und auf diese Kräfte anspricht, schwingt das Ansteuerelement 32 im Betrieb um die Y-Achse mit der Wiederholungsfrequenz der Ansteuerspannungssignale. Diese Schwingbewegung des Ansteuerelements 32 ist mit dem inneren Element 30 (das seinerseits ebenfalls um die Y-Achse schwingt) über die Biegeabschnitte 24 und 26 gekoppelt. Bei Ausführungen mit kleiner Geometrie, wobei die Abstände zwischen den Zonen 46 und 48 und ihren zugehörigen entgegengesetzten leitenden Elementen klein sind, können erhebliche elektrostatische Kräfte entwickelt werden unter Anwendung von relativ niedrigen Ansteuerspannungen. Bei alternativen Ausführungsformen kann eine entsprechende Schwingbewegung der Elemente 30 und 32 um die Y-Achse mit anderen Verfahren, z. B. unter Einsatz elektromagnetischer Kräfte, erreicht werden.

Wenn die Elemente 30 und 32 in dieser Weise schwingen und dadurch einen Schwingmomentvektor ausbilden, bewirkt eine aufgeprägte Winkelgeschwindigkeit um die Z-Achse ein gyroskopisches Drehmoment, das das innere Element 30 aus der Ebene des Ansteuerelements 32 um einen Winkel neigt (entsprechend dem Winkel zwischen der Y- und der Y′-Achse), der der Größe der aufgeprägten Winkelgeschwindigkeit proportional ist.

Die Empfindlichkeit des Gyroskops 10 bei Resonanz ist etwa: mit O _{1 x} = die Neigung des inneren Elements 30, gemessen in bezug auf die X-Y-Ebene; I _{1 x} = das Trägheitsmoment des inneren Elements 30 um die X′-Achse; I _{1 y} = das Trägheitsmoment des inneren Elements 30 um die Y′-Achse; I _{1 z} = das Trägheitsmoment des inneren Elements 30 um die Z′-Achse; Q _{2 y} = die maximale Winkelverschiebung des Ansteuerelements 32 um die Y-Achse; w _n = die Eigenfrequenz des Gyroskops 10; DR _{1 x} = das Dämpfungsverhältnis des inneren Elements; W _z = die Eingangswinkelgeschwindigkeit um die Z-Achse.

Somit ist die Empfindlichkeit proportional
(I _{1 x} + I _{1 y} -I _{1 z} )/ I _{1 x} , wobei I _{1 x} , I _{1 y} und I _{1 z} die Trägheitsmomente des inneren Elements 30 um die X′- bzw. die Y′- bzw. die Z′-Achse sind. Zur Maximierung der Empfindlichkeit sollte das innere Element 30 so geformt sein, daß diese Beziehung der Trägheitsmomente maximiert wird. Bei der gezeigten Ausführungsform nach den Fig. 1-3, bei der das Element 30 eine dünne Platte ist, ist auf dem Element 30 ein Stab 31, der entlang der X′-Achse verläuft, positioniert. Bei anderen Ausführungsformen kann das Element 30 anders geformt sein, insbesondere so, daß die Beziehung der X′-, Y′- und Z′-Trägheitsmomente zum Erhalt einer gewünschten Empfindlichkeit erhalten wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat das Gyroskop 10 z. B. die allgemeine Form nach den Fig. 1-3, wobei die dünne Platte 6 ein Siliciumdioxidfilm mit einer Dicke von 1,0 µm ist, der an seinen Rändern von einem Siliciumsubstrat 8 abgestützt ist. Der zentrale Teil der Platte 6 (einschließlich des inneren Elements 30 und des Ansteuerelements 32) ist vom Substrat 8 in Z-Richtung um 8,7 µm entfernt (als Abmessung D in den Fig. 2 und 3 dargestellt). Das innere Element 30 ist rechteckig mit den Maßen 125 µm (in Y-Richtung) mal 125 µm (in X-Richtung), und der Stab 31 (zentrisch über der X-Achse angeordnet) besteht aus Gold und hat die Maße 15 µm in Z′-Richtung, 12,5 µm in Y′-Richtung und 105 µm in X′-Richtung. Das Ansteuerelement 32 ist im wesentlichen ein 50 µm breiter "viereckiger Ring" (wie gezeigt) mit den Außenmaßen 250 × µm, wobei die Zonen 46 und 48 jeweils 125 µm (in Y-Richtung) mal 40 µm (in X-Richtung) betragen. Mit dieser Konfiguration erzeugt eine Ansteuerspannung von 10 V mit einer Frequenz von 1000 Hz eine Ausgangsempfindlichkeit von ca. 46 mV/rad/s mit einem Ausgangswinkel (O _{1 x} /Wz) von 4 arc-min/rad/s.

Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das Gyroskop 10 aus einer p-leitfähigen Siliciumscheibe, die typischerweise 300 µm dick ist, wobei konventionelle Fotolithografie- und Halbleiterbearbeitungs-Techniken angewandt werden. Eine hochkonzentrierte (Bor(p+)-Diffusion erfolgt in den Bereichen, wo eine Ätzunterbrechung erforderlich ist. Dann läßt man eine Epitaxialschicht mit einer Dicke von ca. 10 µm aufwachsen. Die Dicke dieser Schicht bestimmt den Abstand von der Platte 6 zum Substrat 8. An diesem Punkt werden auf einem entfernten Bereich des Substrats elektronische Schaltkreise auf dem Chip hergestellt. Dann läßt man den Film 6 thermisch bis zu einer Dicke von ca. 1 µm aufwachsen durch Oxidation der Oberfläche der Epitaxialschicht. Es sind mehrere Schritte von selektivem Aufwachsen, Rückätzen und Wiederaufwachsen erforderlich, um die erwünschte Biegedicke der verschiedenen Zonen des Films 6 zu erhalten, der das innere Element 30, das Ansteuerelement 32 und die Biegeabschnitte 20, 22, 24 und 26 umfaßt. Der Stab 31 wird anschließend durch Metallisieren oder ein anderes Verfahren gebildet.

Die Scheibe wird dann mit Metall überzogen (typischerweise mit Chrom-Gold) und erhält Leitungsmuster zur Bildung von Elektroden 40, 42, 46, 48 und Metallanschlüssen an die auf dem Chip befindlichen Schaltkreise. Beim nächsten Schritt wird der Film 6 (SiO₂) mit Muster versehen und durchgeätzt zur Bildung der C-förmigen Hohlraumbereiche. Die Scheibe wird dann in einem von der Beständigkeit abhängigen Ätzmittel (z. B. Ethylendiaminpyrokatechol und Wasser) geätzt. Dieses Ätzmittel ätzt durch die Epitaxialschicht hindurch bis zur p+-Substratdiffusion, wobei die SiO₂-Platte 6 an den Zonen 22 und 24 aufgehängt verbleibt. Die Scheibe wird gereinigt, getrocknet und zersägt zur Bildung einzelner Gyroskopelemente. Diese können dann konventionell kompaktiert werden, wobei die auf dem Chip befindlichen Schaltkreise mit den Zuleitungen der Kompaktbaugruppe verdrahtet sind.

Bei alternativen Ausführungsformen kann auf der Platte 6 ein gesondertes Abdeckelement im Abstand über der Platte angeordnet und mit dieser dort verbunden sein, wo die Platte von dem Substrat 8 abgestützt ist. Dabei können Ansteuer- und Fühlerelemente (elektromagnetisch oder elektrostatisch) in ähnlicher Weise wie oben beschrieben ausgebildet sein, so daß der Trägheitsmesser so betrieben wird, daß die Platte dynamisch auf der X-Y-Ebene gehalten ist.

Bei anderen alternativen Ausführungsformen kann die Platte 6 aus einem Metallblechstück, z. B. Aluminium oder Stahl, gestanzt sein und an ihren Rändern auf einem Umfangstragelement befestigt sein. In dieser Form kann der Stab 31 aus einem Teil der Platte bestehen, der um 90° aus der Ebene herausgebogen ist, oder kann durch Befestigen eines geeignet geformten Teils gebildet sein. Die Ansteuer- oder Fühlerelemente oder beide Arten von Elementen können entweder kapazitiv oder elektromagnetisch oder gemischt sein.

Selbstverständlich können bei der Ausführungsform aus Halbleitermaterial weitere Schaltkreise in der Halbleiterscheibe bzw. dem -chip unter Anwendung konventioneller IS-Verfahren vorgesehen werden, so daß ein planes Schwingungsgyroskop kleiner Geometrie mit integrierten unterstützenden elektronischen Schaltkreisen entsteht. Bei solchen Konfigurationen kann eine hocheffiziente Kompaktierung erzielt werden. Ferner können Multi-Gyroskope gebaut und auf einer einzigen Scheibe untereinander verbunden werden, wobei die Schaltkreise so ausgebildet sind, daß ein redundanter Betrieb möglich ist, wodurch die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems gesteigert wird.

Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform. Das Gyroskop 110 gleicht im wesentlichen demjenigen nach Fig. 1, wobei aber das Ansteuerelement drei innere Elemente umfaßt, deren jedes so angeordnet ist, daß es um eine von drei parallelen Achsen (X′₁, X′₂, X′₃) neigbar ist, die sämtlich zur Y-Achse senkrecht verlaufen und diese in einem zentralen Punkt 7 a bzw. 7 b bzw. 7 c schneiden. Bei alternativen Ausführungsformen kann eine andere Anzahl innere Elemente verwendet werden. In Fig. 5 sind der Fig. 1 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Ferner ist der unter den Hohlraumbereichen 12 und 14 liegende Teil des Substrats 8 kreuzschraffiert dargestellt. Wie Fig. 5 zeigt, sind das Ansteuerelement 32 (und damit die X′₁-, die X′₂- und die X′₃-Achse) und das innere Element 30 (und damit die gesamte Platte 6) in der X-Y-Ebene dargestellt, obwohl diese Elemente im Betrieb im allgemeinen in bezug auf die gezeigte Lage winkelversetzt sind.

Bei der Konfiguration nach Fig. 5 ist jedes der inneren Elemente 30 durch zwei entgegengesetzte C-förmige Hohlraumbereiche definiert, die symmetrisch um einen der drei zentralen Punkte 7 a, 7 b und 7 c und eine der X′₁-, X′₂- und X′₃-Achsen angeordnet sind (wie gezeigt). Es ist zu beachten, daß im vorliegenden Fall "C-förmig" die Hohlraumbereiche mit der gezeigten Kreuzschraffur umfaßt, die das innerste innere Element 30 in Fig. 5 bilden. Bei dem Gyroskop 110 sind die drei leitenden Zonen 46 miteinander über eine Leiterbahn 46 a verbunden unter Bildung (gemeinsam mit dem darunterliegenden leitenden Substrat 8) von drei parallelen kapazitiven Meßwertgebern. Die drei leitenden Zonen 48 sind gleichermaßen an die Leiterbahn 48 a angeschlossen. Bei dieser Konfiguration sind die kapazitiven Meßwertgeber hochempfindlich gegenüber Eingangswinkelgeschwindigkeiten um Achsen, die parallel zu einer Achse stehen, die zur Y- und zur X-Achse senkrecht ist.

Wie Fig. 5 zeigt, sind die leitenden Zonen 40 a, 42 a,, 46 a und 48 a an ein zentrales Netzwerk 60 angeschlossen (das durch Anwendung konventioneller IS-Technologie in den Chip integriert sein kann), das den Betrieb des Gyroskops 110 steuert.

Fig. 6 zeigt einen weiteren Trägheitsmeßfühler in Form eines Beschleunigungsaufnehmers 50. Dieser gleicht dem Gyroskop 10 von Fig. 1, wobei jedoch keine Elemente entsprechend den Hohlraumbereichen 12, den Zonen 20, 22 und den leitenden Zonen 46, 46 a, 48 und 48 a vorgesehen sind und wobei das Element 30 größere Masse in dem Abschnitt auf der einen Seite der Y-Achse als auf der anderen Seite hat, wodurch ein Massenungleichgewicht um die Y-Achse entsteht. Dieses Massenungleichgewicht ist in Fig. 6 mit dem Schwerpunktsymbol CG bezeichnet. Im übrigen sind die Elemente des Beschleunigungsaufnehmers 50 die gleichen wie bei dem Gyroskop 10. Im Betrieb liefert die Winkelverschiebung des Elements 30 um die Y-Achse, gemessen durch die leitenden Zonen 40 und 42, ein Maß für die Beschleunigung entlang der Z-Achse. Bei dieser Ausführungsform sind die X- und die Y-Achse austauschbar.

Fig. 7 ist eine Perspektivansicht, die von oben eine bevorzugte Ausführungsform eines Beschleunigungsmeßwandlers 100 zeigt, dessen mechanische Grundstruktur in vieler Hinsicht dem Aufnehmer von Fig. 1 entspricht. Der Meßwandler 100 erfaßt eine Beschleunigung entlang einer Eingangsachse, die als Z-Achse bezeichnet ist, und umfaßt ein Substrat 101 und eine dünne Platte 102. Das Substrat 101 stützt Randzonen der Platte 102 in einer Ebene ab, die im wesentlichen senkrecht zur Eingangsachse Z ist. Das Substrat 101 begrenzt eine schalenartige Ausnehmung 113 mit gegenüberliegenden C-förmigen Öffnungsbereichen 105 a, 105 b in der Nominalebene der Platte 102. Die Platte 102 umfaßt einen einwärts von dem durch das Substrat 101 abgestützten Bereich liegenden Abschnitt 104, der über der Ausnehmung 113 durch Federn 103 aufgehängt ist, die entlang einer in der Nominalebene der Platte 102 liegenden Achse, die als Y-Achse bezeichnet ist, fluchten. Die Federn 103 sind Blattfedern und erlauben eine begrenzte Verdrehfeder-Bewegung des Abschnitts 104 um die Y-Achse.

Eine weitere Gruppe gegenüberliegender C-förmiger Öffnungen 106 a, 106 b definiert einen inneren Abschnitt 107, der vom Abschnitt 104 einwärts liegt. Der Abschnitt 107 ist durch zwei Federn 108 am Abschnitt 104 aufgehängt, und die Federn sind entlang einer als X-Achse bezeichneten Achse orientiert, die in der Nominalebene der Platte 102 liegt und zur Y-Achse orthogonal ist. Die Federn 108 sind ebenfalls Verdrehfedern und erlauben eine begrenzte Winkelauslenkung des inneren Abschnitts 107 um die X-Achse. Bei der gezeigten Ausführungsform befindet sich der Abschnitt 104 der Platte in bezug auf die Y-Achse im Massengleichgewicht, während der innere Plattenabschnitt 107 ein Massenungleichgewicht in bezug auf seine zentrale (X)-Achse hat. Wie gezeigt, weist der Plattenabschnitt 107 ein dünnes Ende 109 a und ein dickes Ende 109 b auf. Bevorzugt sind die Platte 102 und die Plattenabschnitte 104 und 107 aus einer einzigen Platte durch Abtragen des Materials an den Öffnungen 105 a, 105 b, 106 a, 106 b und Unterschneiden zur Bildung der Ausnehmung 113 gebildet. Alternativ können zur Bildung der Elemente 102, 103, 104, 107 und 108 Einzelkomponenten verwendet werden. Bei der Einplatten-Ausführungsform sind die Federn 103 und 108 durch Dotierung oder andere Ausbildung der Federkörper als dünne ätzbeständige Zonen beim Aufwachsen der Filme 102, 104, 107 gebildet, so daß die Federn nach der Unterschneidung der Folienschicht verbleiben. Das dicke Ende 109 b des inneren Plattenabschnitts 107 entsteht durch Aufbringen von weiterem Material auf einer Seite eines Endes des Abschnitts 107, um so diesen Abschnitt mit einem Ungleichgewicht zu versehen. Infolgedessen ist der Abschnitt 107 mit den Enden 109 a und 109 b durch einen Schwerpunkt gekennzeichnet, der vom Schnittpunkt der Y- und Z-Achsen und gegenüber der Nominalebene (Z = 0) der Platte 102 versetzt ist.

Bei dieser Ausführungsform sind die Federn 103 und 108 Blattfedern, die entlang ihren Hauptachsen (Y- bzw. X-Achse) relativ kurz sind. Infolgedessen sind diese Federn als Verdrehfedern zu bezeichnen, die die Tendenz haben, die Lage des jeweiligen Plattenabschnitts 104 und 107 wieder rückzustellen, wenn diese Abschnitte schaukelähnliche Auslenkungen um die jeweilige Y- und X-Achse ausführen. Die Federn 103 und 108 biegen sich über ihre Länge nicht merklich durch. Wenn bei dieser Geometrie der Plattenabschnitt 104 um die Y-Achse schwingt, wird der Plattenabschnitt 107 mitgenommen, weil er orthogonal zur Y-Achse aufgehängt ist. Eine entlang der Z-Achse gerichtete Kraft bewirkt jedoch ein Ungleichgewicht der Kräfteverteilung über den Plattenabschnitt 107 und resultiert in einer Pendelbewegung des Plattenabschnitts 107 um die X-Achse, wodurch das Trägheitsmoment der Verbundkonstruktion einschließlich der Plattenabschnitte 104 und 107 und der Federn 103 und 108 entlang der Y-Achse geändert wird. Z. B. wird durch eine nach unten (wie gezeigt) gerichtete Beschleunigung entlang der Z-Achse der Schwerpunkt des Plattenabschnitts 107 näher zur Y-Achse bewegt, was eine Änderung des Trägheitsmoments bewirkt. Die aus Plattenabschnitt 104, Federn 108 und Plattenabschnitt 107 bestehende Konstruktion hat eine Eigenfrequenz der Bewegung um ihre Aufhängungsfedern 103. Diese Frequenz ist eine Funktion des trägheitsmoments der Konstruktion 104, 107, 108 um die Y-Achse. Infolgedessen wird durch eine Bewegung des Schwerpunkts des Plattenabschnitts 197 in Richtung zur Y-Achse, wodurch das Trägheitsmoment um die Y-Achse verringert wird, die Eigenfrequenz des Systems um die Y-Achse erhöht. Diese Eigenschaft wird bei einem Beschleunigungsmeßwertgeber nach der Erfindung genutzt durch Ansteuerung des Abschnitts 104 mit seiner Eigenfrequenz und Messen der Abweichungen von dieser Frequenz aufgrund von Z-Achse-Beschleunigung. Solche Änderungen sind repräsentativ für eine Beschleunigung entlang der Z-Achse und die resultierende nichtpendelnde Verschiebung des Schwerpunkts des Plattenabschnitts 107.

Bei der gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird der Plattenabschnitt 104 von elektrostatischen Treibern angesteuert, umfassend Treiberplatten 111, die unter dem Plattenabschnitt 104 in Strichlinien angedeutet sind. Treiberplatten 111 sind bevorzugt leitende Metallplatten, die während der Herstellung auf dem Plattenabschnitt 104 abgeschieden werden. Wenn das Substrat 101 leitend ist, können die Treiberplatten 111 über einer geeigneten Isolierschicht auf dem Abschnitt 104 in einer Lage gegenüber einer darunterliegenden Fläche des Substrats 101 abgeschieden werden. Elektrische Zuleitungen (nicht gezeigt) sind vorgesehen zur Zuführung einer Treiberspannung mit solcher Frequenz, daß der Abschnitt 104 in harmonische Schwingung um seine Achse getrieben wird, wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert wurde. Alternativ kann der Plattenabschnitt 104 leitendes Material aufweisen, und der Platte 111 entsprechende Treiberelektroden können in das Substrat zweckmäßigerweise isoliert unter dem Abschnitt 104 eingebettet sein. Kapazitive Aufnehmerplatten 112 sind am entgegengesetzten Ende des Plattenabschnitts 104 abgeschieden und erzeugen durch Bewegung in bezug auf entsprechende Aufnehmerelektroden ein Signal, das die eigentliche Bewegungsfrequenz des Abschnitts 104 anzeigt.

Im Betrieb wird der Abschnitt 104 mit seiner Eigenfrequenz angesteuert, und eine Rückkopplungsschleife aus kapazitiven Aufnehmerelektroden 112 bestimmt die eigentliche Ansteuerfrequenz und vergleicht sie mit der Eigenfrequenz. In der Praxis kann die eigentliche Frequenz auch anders als mit kapazitiven Aufnehmern bestimmt werden, z. B. durch eine optische Reflexion von ihrer Oberfläche zu einem Lichtfühler. Ebenso kann der Abschnitt 104 anders als mit elektrostatischen Mitteln, z. B. durch eine piezoelektrische Treibervorrichtung, angesteuert werden. Es eignen sich also mehrere Arten von Treibern zur Ansteuerung des Abschnitts 104 mit dessen Eigenfrequenz, so daß Änderungen gegenüber seiner "Ruhe"- oder Eigenfrequenz kontrolliert werden können.

Fig. 8 ist ein Vertikalschnitt entlang der Y-Achse durch den Meßwertgeber von Fig. 7. Die Oberseite des am Umfang abgestützten Bereichs der Platte 102, der Abschnitt 104 und der Abschnitt 107 liegen sämtlich im wesentlichen in derselben Ebene. Die Aussparung 113 in dem Substrat 101 liegt unter sämtlichen Abschnitten 104 und 107. Im Betrieb erfahren natürlich die Abschnitte 104 und 107 durch Schwingungen und Beschleunigung induzierte Auslenkungen auf der durch die Randabstützung definierten Nominalebene. Die Platte 111, die ein dünner metallisierter Abschnitt ist, ist unter dem Abschnitt 104 abgeschieden und ist dem Substrat 101 über den Zwischenraum 113 zugewandt. Der Schwerpunkt 114 des Abschnitts 107 liegt geringfügig über der Nominalebene der Platte 102.

Fig. 9 ist ein Vertikalschnitt entlang der X-Achse durch die Vorrichtung von Fig. 7. Wie gezeigt, erhebt sich der dicke Teil 109 b des inneren Abschnitts 107 über die Nominalebene der Platte 102.

Für den Fachmann auf dem Gebiet der Trägheitsinstrumente ist ersichtlich, daß bei kleinen beschleunigungsinduzierten Bewegungen des Abschnitts 107 um die X-Achse die Änderung der Eigenfrequenz der Konstruktion 104, 108, 107 bei Aufwärts- und Abwärtsbeschleunigungen (wie gezeigt) nahezu identisch ist, wenn nicht durch Versetzen des Schwerpunkts des Pendelabschnitts 107 über oder unter die Y-Achse eine Vorspannung eingeführt wird. Bei einem System entsprechend der bevorzugten Ausführungsform wird das Instrument durch Verwendung von zwei Meßwandlern entsprechend demjenigen von Fig. 7 linearisiert.

Fig. 10 zeigt schematisch eine solche Vorrichtung mit zwei Beschleunigungsaufnehmern ACC-1 und ACC-2. Dabei sind Plattenabschnitte für jeden Beschleunigungsaufnehmer ACC-1 und ACC-2 schematisch gezeigt. Beim ersten Beschleunigungsaufnehmer ACC-1 ist das Ende 109 b des Plattenabschnitts 107 mit dem Schwerpunkt auf einer ersten Seite der X-Y-Ebene, also aufwärts in Richtung der Z-Achse, angeordnet. Beim zweiten Beschleunigungsaufnehmer ACC-2 ist das entsprechende Ende 109 b′ mit dem Schwerpunkt auf der entgegengesetzten Seite der X-Y-Ebene, also nach unten in Richtung der Z-Achse relativ zur Platte, angeordnet. Dieser Aufbau ist in Fig. 10 schematisch durch eine zusätzliche Schicht auf der entsprechenden Seite eines Endes des Abschnitts 107 angedeutet. Somit hat der erste Beschleunigungsaufnehmer ACC-1 einen Abschnitt 107, der im Aussehen demjenigen gleicht, der durch die Elemente 107, 109 a und 109 b von Fig. 8 bezeichnet ist; diese Konstruktion wird nachstehend als "aufwärts vorgespannt" bezeichnet. Der zweite Beschleunigungsaufnehmer ACC-2 mit entsprechenden Elementen 107′, 109 a, 109 b′ entspricht der Darstellung von Fig. 8, jedoch 180° um die Y-Achse gedreht. Die letztere Konstruktion wird nachstehend als "abwärts vorgespannt" bezeichnet. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform werden zwei derartige Meßwandler eingesetzt, wobei der eine aufwärts und der andere abwärts vorgespannt ist. Dies ist in Fig. 10 schematisch angedeutet, wobei der innere Abschnitt 107 des Beschleunigungsaufnehmers ACC-1 aufwärts und der innere Abschnitt 107′ des Beschleunigungsaufnehmers ACC-2 abwärts vorgespannt ist. Jede dieser Vorrichtungen wird bevorzugt mit Komponenten hergestellt, die im übrigen im wesentlichen identische Charakteristiken haben, so daß die Eigenfrequenzen, die Massen, die Federkonstanten u. dgl. der jeweiligen Meßwandler mit Ausnahme Vorspannungsrichtungen ihrer inneren Abschnitte 107 und 107′ in der fertigen Baugruppe identisch sind. Die Abschnitte 104 und 104′ jedes Beschleunigungsaufnehmers werden mit ihrer jeweiligen Eigenfrequenz angesteuert, und ein Frequenzaufnehmer (nicht gezeigt) wird in einem Rückkopplungskreis (nicht gezeigt) verwendet, um diese Treiberfrequenz aufrechtzuerhalten. Änderungen der Eigenfrequenz infolge einer Bewegung der inneren Abschnitte 107 und 107′ werden von den Aufnehmern erfaßt, und die Frequenzänderungen der beiden Meßwandler (dargestellt durch Signale f ₁ und f ₂ in Fig. 10) werden in einem Netzwerk 115 voneinander subtrahiert. Auf diese Weise wird der Instrumentenausgang im wesentlichen linearisiert unter Eliminierung der Terme zweiter Ordnung der Frequenz als Funktion der Beschleunigung.

Bevorzugt werden die Vorrichtungen gleichzeitig auf demselben Substrat hergestellt unter Anwendung von Halbleiter- Herstellungsverfahren, und zusätzliche Treiber- und Logikglieder werden gleichzeitig auf dem Substrat hergestellt. Für jeden Beschleunigungsaufnehmer wird das von den Aufnehmern erzeugte Frequenzsignal verarbeitet unter Bildung eines digitalen Ausgangssignals, und die beiden Ausgangssignale f ₁ und f ₂ werden voneinander subtrahiert, indem sie einem Zweirichtungszähler 117 zugeführt werden, wobei das resultierende Ausgangssignal Δ f ein direktes Maß der Beschleunigung liefert.

Das vorstehend beschriebene bevorzugte Instrument ist in einfacher Weise mikrominiaturisierbar, da es eine ebene Vorrichtung ist, die mit Halbleiter-Herstellungsverfahren gefertigt werden kann. Ferner kann aufgrund der geringen Abmessungen des schwingenden Elements die Auflösung des Instruments gegenüber bekannten Instrumenten erheblich verbessert werden. Z. B. kann ein Instrument gemäß Fig. 7 einen inneren Folienabschnitt 107 mit einer Länge von 0,2 mm aufweisen, dessen Schwerpunkt um 0,008 mm gegenüber der Mittenlinie des Abschnitts 107 versetzt ist. Die Federn 103 und 108 können Federkonstanten im Bereich von K = 3 × 10^-11 Nm haben, und die Stabmasse des Abschnitts 107 kann ein Gewicht von ca. 5 × 10^-10 kg haben. Mit diesen Abmessungen ist die charakteristische Frequenz der schwingenden Konstruktion 4415 Hz, und die Empfindlichkeit des Instruments über konsekutive Meßintervalle erfaßt Geschwindigkeitsänderungen von 0,1 cm/s.

Fig. 11 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Beschleunigungsmeßwandlers. Dabei ist eine Platte 120 so ausgebildet, daß sie um Drehfedern 12 drehbar ist, die entlang einer zentralen Y-Achse miteinander fluchten. Von einer Seite der Platte 120 erstrecken sich mehrere Pföstchen 122 a, 122 b, 122 c, 122 d. Die Pföstchen 122 a, 122 c sind z. B. entlang der Y-Achse miteinander ausgerichtet. Die Pföstchen 122 b, 122 d sind quer dazu ausgerichtet. Biegearme 123 erstrecken sich zwischen gegenüberliegenden Pföstchen. Ein Gewicht bzw. eine Prüfmasse 124 ist mittig an einem Verbindungspunkt der Biegearme positioniert. Treiberplatten 125, die den Elementen 111 der vorher erläuterten Ausführungsform entsprechen, sind auf einer Oberfläche der Platte 120 abgeschieden, und Aufnehmerplatten 126, die analog zu den Platten 112 der Ausführungsform nach Fig. 7 aufnehmen, sind ebenfalls auf der Platte 120 abgeschieden.

Mit der Pföstchen-Biegearm-Aufhängung bewegt sich die Masse 124 auf einer Geraden, die ungefähr senkrecht zur Ebene der Platte 120 verläuft. Die Masse 124 ist gegenüber der Y-Achse dieser Ebene durch die Pföstchen 122 a-122 d versetzt, und bei Beaufschlagung mit einer Beschleunigung entlang der Z-Achse bewegt sie sich also weiter von der Y-Achse weg bzw. näher zu dieser unter Änderung der Eigenfrequenz der Platte. Wie im Fall der Ausführungsform von Fig. 7 resultiert die Aufhängung des Gewichts außerhalb der Ebene der Platte in einer asymmetrischen Frequenz/Verschiebungs- Kurve, so daß durch Subtraktion des Ausgangssignals eines aufwärts vorgespannten Meßwandlers vom Ausgangssignal eines abwärts vorgespannten Meßwandlers ein zur Beschleunigung direkt proportionales Ausgangssignal erhalten werden kann.

Fig. 12 zeigt einen Schnitt entlang der Y-Achse durch die Vorrichtung von Fig. 11. Die Pföstchen 122 a, 122 c erstrecken sich über der Platte 120, und die Biegearme 123 verlaufen von einem Pföstchen zum anderen. Die Masse 124 ist an den Biegearmen 123 in der Mittenöffnung 127 der Platte 120 aufgehängt, und der Nutzeffekt der verschiedenen Querarme 123 ist, daß die Masse hinsichtlich einer Bewegung so begrenzt ist, daß sie im wesentlichen in einer Linie senkrecht zur Platte beweglich ist. Wie vorher resultiert eine Bewegung entlang der Eingangsachse Z der Masse 124 in einer Änderung der Eigenfrequenz der schwingenden Platte 120 um die Drehfedern 121, die entlang der Y-Achse positioniert sind.

Der Aufbau der Vorrichtung nach Fig. 11 kann auf verschiedene Weise implementiert werden. Bei allen derartigen Ausführungsformen ist ein Gewicht an einer schwingenden Platte mittels einer Aufhängung angebracht, die eine Bewegung entlang der Eingangsachse erlaubt. Die Bewegung dieses Gewichts entlang der Achse steht in funktioneller Beziehung zu der Größe der Eingangsbeschleunigung und wirkt sich auf die Eigenfrequenz der schwingenden Platte aus.

Gemäß der Erfindung ist das Gewicht entlang der Eingangsachse zu einer Schwingungsrotationsachse versetzt. Gemäß einem weiteren Aspekt sind zwei solche Vorrichtungen vorgesehen, wobei jede ein aufgehängtes Gewicht aufweist, das in einer Richtung entgegengesetzt zum anderen versetzt ist, so daß eine Beschleunigung entlang der Eingangsachse die Eigenfrequenz für jede der beiden Vorrichtungen entgegengesetzt zueinander verschiebt. Die Aufhängung des Gewichts an der Platte bei der Ausführungsform von Fig. 11 muß nicht über Blatt- oder Verdrehfedern erfolgen. Eine geeignete Aufhängung wird auch durch eine Membran, ein netzartiges Gitter oder eine Mehrzahl einander am Gewicht kreuzende Drähte erhalten. Bei allen diesen Ausführungsformen trägt die Aufhängung das Gewicht mit Versetzung gegenüber der Y-Achse und bewegungsmäßig so begrenzt, daß es im wesentlichen entlang der Eingangsachse beweglich ist. Auf diese Weise wird die Kreuzachsenkopplung der Vorrichtung maximiert zur direkten Anzeige der Beschleunigung entlang der Eingangsachse.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur Aufnahme der Beschleunigungsgröße entlang einer Eingangsachse, gekennzeichnet durch ein Substrat, das eine quer zur Eingangsachse (Z) verlaufende Öffnung begrenzt; eine dünne Platte (120), die an dem Substrat über der Öffnung durch wenigstens eine Verdrehfeder (121) drehbar aufgehängt ist zur hin- und hergehenden Winkelbewegung um eine in der Platte (120) liegende erste Achse; ein Gewicht (124), dessen Schwerpunkt relativ zur Platte (120) entlang der Eingangsachse (Z) versetzt ist; und eine Aufhängung (123), die das Gewicht (124) an der Platte (120) so haltert, daß es realativ zur ersten Achse verschiebbar ist, wobei diese Verschiebung aufgrund einer Beschleunigung entlang der Eingangsachse (Z) stattfindet; wobei das aus der Platte (120), der Aufhängung (123), dem Gewicht (124) und der wenigstens einen Verdrehfeder (121) bestehende bewegliche System sich durch eine Eigenfrequenz der Winkelbewegung um die erste Achse auszeichnet und diese Eigenfrequenz infolge einer Verschiebung des Gewichts (124) änderbar ist, so daß die Frequenz der Winkelbewegung des beweglichen Systems ein Anzeichen für die Beschleunigung entlang der Eingangsachse (Z) ist.

2. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (120) eine eine Öffnung begrenzende Innenkontur hat und daß das Gewicht eine in der Öffnung aufgehängte zweite Platte umfaßt, wobei der Schwerpunkt der zweiten Platte relativ zur ersten Achse versetzt ist, und daß die Aufhängung wenigstens eine zweite Verdrehfeder aufweist, die die zweite Platte so haltert, daß diese um eine zweite Achse, die zur Eingangsachse und zur ersten Achse orthogonal ist, verdrehbar ist.

3. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung umfaßt: Pföstchen (122 a-122 d), die an der Platte (120) befestigt sind und von dieser vorspringen; und Biegearme (123), die von den Pföstchen (122 a-122 d) zu dem Gewicht (124) verlaufen, so daß die Verschiebung des Gewichts (124) durch Auslenkung der Biegearme (123) erfolgt.

4. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung umfaßt: eine Membran, auf der das Gewicht mittig positioniert ist, so daß die Verschiebung durch Verformung der Membran ermöglicht wird, und an der Platte und an der Membran befestigte Abstandshalter, die die Membran im Abstand von der Platte halten.

5. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Ansteuern des beweglichen Systems mit dessen Eigenfrequenz; und Mittel zur Erfassung der Bewegungsfrequenz des beweglichen Systems.

6. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel einen Zähler (117) aufweisen, der die Bewegungsfrequenz anzeigende Impulse zählt.

7. Beschleunigungsmessereinheit mit einem ersten und einem zweiten Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des Gewichts des ersten Aufnehmers (ACC-1) in einer ersten Richtung entlang der Eingangsachse (Z) und der Schwerpunkt des zweiten Aufnehmers (ACC-2) gegenüber der Platte des zweiten Aufnehmers entgegengesetzt zur ersten Richtung entlang der Z-Achse versetzt ist.

8. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel zum Treiben der jeweiligen beweglichen Systeme des ersten und des zweiten Aufnehmers (ACC-1, ACC-2) mit ihren jeweiligen Eigenfrequenzen, und Mittel zur Erfassung der Bewegungsfrequenz der jeweiligen beweglichen Systems.

9. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsmittel einen Zähler (117) aufweisen, der die jeweiligen Bewegungsfrequenzen der beweglichen Elemente bezeichnende Impulse zählt.

10. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 9 oder 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder, die Platte und das Gewicht als mikromechanische Strukturen in Halbleitertechnik hergestellt sind.

11. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch integriert auf dem Substrat hergestellte Steuerschaltkreise zur Ansteuerung des beweglichen Systems und Erfassung von dessen Bewegungsfrequenz.

12. Beschleunigungsmeßwandler zur Aufnahme von Beschleunigung entlang einer Eingangsachse, gekennzeichnet durch ein Substrat; ein erstes Federelement; eine erste Platte mit einer Nominalebene, wobei diese Platte über das erste Federelement am Substrat für eine hin- und hergehende Winkelbewegung um eine erste Achse, die bei einer Eigenfrequenz der Bewegung in der Ebene liegt, angeordnet ist, wobei das Substrat und das erste Federelement eine zur Eingangsachse orthogonale Orientierung der ersten Platte bestimmen; eine zweite Platte, die an der ersten Platte über ein zweites Federelement für eine aufgrund einer Beschleunigung entlang der Eingangsachse (Z) stattfindende Bewegung angeordnet ist, wobei diese Bewegung eine Momentenänderung um die erste Achse bewirkt, so daß eine Beschleunigung entlang der Hauptachse eine Änderung der Eigenfrequenz um eine die Beschleunigung bezeichnende Größe hervorruft.

13. Planes Trägheitsmeßsystem zur Messung von Beschleunigung entlang einer Eingangsachse (Z), umfassend eine dünne Platte (6) mit zugehörigem Substrat (8), das Mittel zur Abstützung des Außenrandbereichs der Platte (6) in einer zur Eingangsachse (Z) senkrechten Ebene aufweist, wobei diese Ebene eine erste Bezugsachse (X) und eine zweite Bezugsachse (Y) enthält und die beiden Bezugsachsen zueinander senkrecht stehen und die Eingangsachse in einem gemeinsamen Punkt (7) schneiden, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Platte (6) ein erstes Paar von einander gegenüberliegenden Hohlraumbereichen (12) und wenigstens ein zweites Paar von einander gegenüberliegenden Hohlraumbereichen (14) umschließt, wobei die Hohlraumbereiche (12) des ersten Paars größer als die Hohlraumbereiche (14) des zweiten Paars sind und das erste Paar (12) Hohlraumbereiche symmetrisch um die zweite Achse (Y) und den gemeinsamen Punkt (7) angeordnet ist, während das zweite Paar (14) Hohlraumbereiche innerhalb der Hohlraumbereiche des ersten Paars (12) liegt und symmetrisch um zu der ersten Achse (X) parallele Achsen angeordnet sind, wenn die dünne Platte (6) in der Ebene liegt, daß der zwischen den gegenüberliegenden Enden der Hohlraumbereiche (12) des ersten Paars liegende Plattenabschnitt (32) und der innerhalb des ersten Paars Hohlraumbereiche (12) liegende Plattenabschnitt (30) in Richtung der Y-Achse von dem Substrat (8) beabstandet sind, daß der Plattenabschnitt zwischen den gegenüberliegenden Enden eines der Paare von Hohlraumbereichen biegsam ist, und daß der Plattenabschnitt (30) zwischen den gegenüberliegenden Enden eines (14) der Paare von Hohlraumbereichen um die erste Achse (X) im Ungleichgewicht ist.

14. Vorrichtung zur Erfassung von Beschleunigung entlang einer einem Substrat zugeordneten Eingangsachse, gekennzeichnet durch

• A) eine Meßvorrichtung mit einem im wesentlichen planen Plattenabschnitt,
• B) eine Verdrehfeder (103) zum verdrehbaren Koppeln des planen Plattenabschnitts mit dem Substrat, so daß der plane Plattenabschnitt hin- und hergehende Winkelauslenkungen aus einer zur Eingangachse senkrechten Bezugsebene um eine in dieser Ebene liegende erste Bezugsachse ausführt,

wobei die Meßvorrichtung ferner eine Masseelement (109 a, 109 b) sowie ein Verbindungselement (108) zur Verbindung des Masseelements mit dem Plattenabschnitt (104) aufweist, so daß die Meßvorrichtung sich durch ein Trägheitsmoment um die Bezugsachse auszeichnet, das eine örtlich monotone Funktion der Beschleunigung des Substrats entlang der Eingangsachse ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Mittel zur Ansteuerung der Meßvorrichtung in hin- und hergehenden Winkelauslenkungen um die Bezugsachse.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Rückkopplungsregeleinheit zur adaptiven Regelung der Auslenkungsgeschwindigkeit so, daß sie der Eigenfrequenz der Winkelbewegung der Meßvorrichtung um die erste Bezugsachse entspricht, wobei diese Geschwindigkeit für die Beschleunigung des Substrats entlang der Bezugsachse repräsentativ ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsmittel für das Masseelement aufweisen ein planes Element mit zugehöriger Verdrehfeder, die das plane Element verdrehbar mit dem planen Plattenabschnitt um eine zur Eingangsachse und zur ersten Bezugsachse orthogonale zweite Bezugsachse koppelt, und Mittel zur Abstützung des Masseelements, so daß dieses gegenüber der Hauptebene des planen Elements und gegenüber der Eingangsachse versetzt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseelement-Kopplungsmittel Mittel zur Abstützung des Masseelements aufweisen, so daß dieses entlang der Eingangsachse zentriert und gegenüber der Hauptebene des planen Abschnitts um einen Betrag versetzt ist, der eine monotone Funktion der Beschleunigung des Substrats entlang der Eingangsachse ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungsmittel eine Membran umfassen, die das Masseelement abstützt und die am Außenrand von dem Plattenabschnitt abgestützt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungsmittel mehrere Biegefedern aufweisen, die in einer zur Hauptebene des Plattenabschnitts paralleler Ebene ausgerichtet sind, wobei sämtliche Federn an ihrem einen Ende an dem Masseelement befestigt und an ihrem anderen Ende an Stützelementen, die von dem Plattenabschnitt ausgehen, befestigt sind.