DE4340664C2

DE4340664C2 - Piezoresistiver Beschleunigungsaufnehmer

Info

Publication number: DE4340664C2
Application number: DE19934340664
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Dr Crazzolara; Waldemar Von Prof Dipl Muench
Original assignee: MUENCH WALDEMAR VON PROF DR PH
Current assignee: CRAZZOLARA, HELMUT, DIPL.-ING. DR.-ING., 72631 AIC
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2013-12-01
Also published as: DE4340664A1

Description

Technisches Gebiet

Für die Wandlung der physikalischen Größe Beschleunigung in ein elektrisches Signal, vor zugsweise in eine elektrische Spannung, werden in der Meßtechnik Beschleunigungsaufneh mer eingesetzt. Hierzu können verschiedene Wandlungsprinzipien herangezogen werden; im vorliegenden Fall ist dies der piezoresistive Effekt. Unter dem piezoresistiven Effekt versteht man die Änderung des spezifischen Widerstandes eines Werkstoffes unter dem Einfuß einer Dehnung oder Stauchung dieses Werkstoffes bzw. unter dem Einfluß der mit dieser Dehnung oder Stauchung einhergehenden mechanischen Spannung. Die Einsatzgebiete derartiger Sen soren sind breit gefächert und reichen von allgemeinen Beschleunigungsmessungen, z. B. in der Antriebstechnik, Luft- und Raumfahrttechnik, Medizintechnik oder Robotik über Gravita tionsmessungen, z. B. für die Navigation oder Neigungsmessung, bis zu Vibrationsmessungen, z. B. in der Seismographie, bei der Transportüberwachung empfindlicher oder gefährlicher Gü ter oder bei Haushaltsgeräten. Ein hoher Bedarf an Beschleunigungsaufnehmern entsteht vor allem durch den zunehmenden Einsatz von Personensicherheitssystemen im Kraftfahrzeug, z. B. Airbag oder Gurtstraffersysteme.

Stand der Technik

Piezoresistive Beschleunigungsaufnehmer basieren auf einem Feder/Masse-System, wobei eine Schweremasse an einem oder mehreren Federelementen, den sogenannten Biegebalken befestigt ist. Bei einer Beschleunigung des Beschleunigungsaufnehmers sowie unter dem Ein fluß der Gravitation werden aufgrund der Massenträgheit der Schweremasse die Biegebalken verformt. Diese Verformung kann mittels des piezoresistiven Effektes detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Der piezoresistive Effekt kann abhängig vom piezo resistiven Charakter des verwendeten Widerstandswerkstoffes, vom Vorzeichen der mechani schen Spannung und vom Winkel zwischen der Richtung der mechanischen Spannung und der Richtung des Stromdichtevektors innerhalb des Widerstandes sowohl eine Reduktion als auch eine Erhöhung des Widerstandswertes zur Folge haben. Als Widerstandsmaterial werden be vorzugt Werkstoffe mit einer großen Piezoresistivität eingesetzt, wie z. B. einkristallines Sili zium.

Einen Überblick über derartige Sensoren findet sich in Herbert Reichl: "Halbleitersenso ren", Band 251 aus der Reihe "Kontakt & Studium", expert-Verlag, Ehningen bei Böblingen, 1989, S. 223-234.

Häufig ist es erforderlich, daß ein Beschleunigungsaufnehmer nur für Beschleunigungen in eine ganz bestimmte Richtung empfindlich ist. Die Empfindlichkeit für Beschleunigungen senkrecht zu dieser Richtung, die sogenannte Querempfindlichkeit, soll möglichst gering sein. Derartige Sensoren bezeichnet man als ein- oder uniaxiale Beschleunigungsaufnehmer.

In H. Seidel u. a.: "Piezoresistive silicon accelerometer for automotive applications", Kongreß band II der SENSOR 93, 11.-14. Oktober 1993 in Nürnberg, S. 271-278, wird ein Beschleu nigungsaufnehmer mit einem Feder/Masse-System bestehend aus einer Schweremasse und ei nem Biegebalken vorgestellt. Durch das Hinzufügen von zwei zusätzlichen Biegebalken wird versucht, die Querempfindlichkeit des Beschleunigungsaufnehmers zu reduzieren. Diese zu sätzlichen Biegebalken beinhalten keine piezoresistiven Widerstände, sondern sollen eine tor sionsartige Verformung desjenigen Biegebalken verhindern, der die piezoresistiven Wider stände beinhaltet.

In Shaoqun Shen u. a.: "Analysis on twin mass structure for a piezoresistive accelerometer", Sensors and Actuators A, 34 (1992), S. 101-107, besteht das Feder/Masse-System aus zwei Schweremassen und fünf Biegebalken. Damit soll, bei geeigneter Plazierung und Verschaltung der piezoresistiven Widerstände, eine geringe Querempfindlichkeit erzielt werden.

In dem US-Patent Nr. 4,987,781 vom 29.01.1991 besteht das Feder/Masse-System aus einer Schweremasse und vier Biegebalken. Darauf sind acht piezoresistive Widerstände derart ver schaltet, daß der Beschleunigungsaufnehmer nur für Beschleunigungen in einer Richtung emp findlich ist.

Für viele Anwendungen ist es erforderlich, eine beliebig gerichtete Beschleunigung nach Be trag und Richtung bestimmen zu können. Üblicherweise werden hierzu zwei oder drei ein axiale Beschleunigungsaufnehmer zu einem zwei- oder dreiaxialen Beschleunigungsaufneh mermodul montiert. Demgegenüber ist in der Offenlegungsschrift DE 36 11 360 A1 ein zwei axialer Beschleunigungsaufnehmer und in der Offenlegungsschrift DE 37 41 036 A1 ein drei axialer Beschleunigungsaufnehmer beschrieben. Beide können monolithisch auf einem Werk stoffplättchen hergestellt werden. In beiden Fällen ist für jede auflösbare Beschleunigungsrich tung eine individuelle Schweremasse mit den zugehörigen Biegebalken und piezoresistiven Widerständen erforderlich. Weiterhin erfolgt in beiden Fällen die Detektion einer Beschleuni gung aufgrund der Torsionsverformung der Biegebalken. Insbesondere sind die piezoresistiven Widerstände derart auf den Biegebalken angeordnet und verschaltet, daß sie eine Torsionsver formung der Biegebalken detektieren.

In der Patentschrift DE 37 40 688 C2 wird ein mikromechanischer Beschleunigungssensor beschrieben, bei dem durch die Anordnung der Stege sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite der Beschleunigungsplatte die bei Querbeschleunigungen auftretenden Kippmomente aufgefangen werden. Die Signalabnahme erfolgt mit Hilfe von Piezowiderständen oder metallischen Dehnungsmeßstreifen, die zu einer oder mehreren Widerstandsvollbrücken verschaltet sind.

In der Offenlegungsschrift DE 43 16 279 A1 wird ein Halbleiter-Beschleunigungsmesser beschrieben, der einen Massen-, einen Rahmen- und einen Membranabschnitt aufweist und der einen zusätzlichen Metallfilm auf der Oberfläche des Beschleunigungsmessers aufweist, so daß der Schwerpunkt des Gewichtes, das in Kombination des Massenabschnittes und des zusätzlichen Metallfilmes gebildet ist, sich in einem Bereich in dem Massenabschnitt befindet, der eine Tiefe hat, die der Dicke des Membranabschnittes entspricht.

In der Offenlegungsschrift DE 40 22 464 A1, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, wird ein Sensor zur Messung von Winkelbeschleunigungen beschrieben, der aus einem Siliziumträger hergestellt ist und der Mittel zur kapazitiven oder piezoresistiven Erfassung von Auslenkungen einer seismischen Masse aufweist. Im Fall der piezoresistiven Auswertung erfolgt die Erfassung der Auslenkung durch jeweils zwei Piezowiderstände, die auf den Aufhängungsstegen rechts und links von der Stegachse aufgebracht sind.

Nachteile des Standes der Technik

Den bekannten einaxialen Beschleunigungsaufnehmern ist gemeinsam, daß sie die gewünsch ten Eigenschaften nur durch Kompensation mittels zusätzlicher mechanischer und/oder elektri scher Elemente erzielen können. Das Hinzufügen mechanischer Elemente, d. h. zusätzlicher Schweremassen und/oder Biegebalken, ist jedoch gleichbedeutend mit einem erhöhten Ferti gungsaufwand und einem erhöhtem Flächenbedarf des Beschleunigungsaufnehmers. Dieser Nachteil fällt besonders bei der Realisierung als mikromechanischer Siliziumsensor ins Ge wicht. Genauso nachteilig ist das erforderliche Hinzufügen von elektrischen Elementen, d. h. zusätzlicher piezoresistiver Widerstände zum Zwecke der Kompensation bestimmter Be schleunigungsrichtungen. Jeder zusätzliche piezoresistive Widerstand erhöht die Anzahl der Ursachen für den Betrag des durch Fertigungstoleranzen bedingten Nullpunktsignals eines Be schleunigungsaufnehmers und vorallem für den Betrag der thermischen und zeitlichen Driften dieses Nullpunktsignals.

Diese Nachteile gelten in gleicher Weise für die bisher bekannten zwei- und dreiaxialen Be schleunigungsaufnehmer. Bei den zwei- und dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmermodulen, bestehend aus zwei bzw. drei einaxialen Beschleunigungsaufnehmern, ist die erhebliche Volu men- und Massenzunahme von Nachteil. Weiterhin ist die hybride Montage dieser Module, an die hohe Anforderungen hinsichtlich der Winkelausrichtung der einaxialen Beschleunigungs aufnehmer zueinander gestellt werden muß, aufwendig und damit kostenintensiv.

Die bisher vorgestellten monolithischen zwei- und dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmer be sitzen ebenfalls den Nachteil eines großen Flächen- oder Volumenbedarfs, da für jede aufzulö sende Beschleunigungsrichtung eine individuelle Schweremasse erforderlich ist. Gerade bei der Realisierung als mikromechanischer Siliziumsensor stellt die Herstellung der Schwere masse einen kritischen und ausbeutebegrenzenden Prozeßschritt dar. Ferner ist von Nachteil, daß für jede Beschleunigungsrichtung eine individuelle Widerstandsmeßbrücke erforderlich ist. Die damit verbundene große Anzahl piezoresistiver Widerstände läßt die obengenannten Nullpunkt- und Driftprobleme in Erscheinung treten.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe der Entwicklung eines ein- oder mehraxialen piezoresistiven Beschleunigungsaufnehmers basierend auf einem Feder/Masse-System mit nur einer Schweremasse und einer mi nimalen Anzahl von Biegebalken, die eine minimale Anzahl von piezoresistiven Widerständen beinhalten, zugrunde.

Lösung der Aufgabe

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch piezoresistive Be schleunigungsaufnehmer mit den Merkmalen in den unabhängigen Patentansprüchen 1 bis 4. Dabei ist von grundlegen der Bedeutung, daß die senkrechte Projektion von jeweils einer der Symmetrieachsen der pie zoresistiven Widerstände auf die Oberfläche des Beschleunigungsaufnehmers exakt mit der senkrechten Projektion der Längsachse des jeweiligen Biegebalkens auf die Oberfläche des Beschleunigungsaufnehmers zusammenfällt. Es ist vorteilhaft, daß diese Bedingung durch die Anwendung photolithographischer Strukturübertragungsmethoden oder moderner Siebdruck techniken verhältnismäßig einfach erfüllt werden kann. Die Form der piezoresistiven Wider stände ist beliebig, solange mindestens eine Symmetrieachse existiert, mit Hilfe welcher der Widerstand ausgerichtet werden kann. Die beschriebene Anordnung der piezoresistiven Wi derstände hat den Vorteil, daß Beschleunigungen in Richtung der Längsachse der Biegebalken und Beschleunigungen in Richtung senkrecht zu der durch die Biegebalken gebildeten Ebene detektiert werden können. Gleichzeitig ist durch die spezielle Anordnung der piezoresistiven Widerstände gewährleistet, daß eine Beschleunigung in der durch die Biegebalken gebildeten Ebene und dabei gleichzeitig senkrecht zur Längsachse eines Biegebalkens keine Widerstandsän derung in dem Widerstand des betreffenden Biegebalkens hervorruft. In diesem Fall ist die durch die Beschleunigung hervorgerufene torsionsar tige Verformung der Biegebalken derart, daß das Integral der mechanischen Spannungen über das gesamte Widerstandsgebiet gleich Null ist. Daher sind auch keine mechanischen oder schaltungstechnischen Kompensationsmaßnahmen notwendig, sondern die Kompensation er folgt inhärent in den piezoresistiven Widerständen. Dadurch kann die Anzahl der erforderli chen Biegebalken und piezoresistiven Widerstände minimiert werden. Die torsionsartige Ver formung der Biegebalken ist im Gegenteil sogar von Vorteil für zwei- oder dreiaxiale Beschleunigungsaufnehmer und ist daher durch konstruktive Maßnahmen begünstigt und nicht behindert. Die Biegebalken sollten daher derart dimensioniert und angeordnet sein, daß die Federkonstante der Anordnung ge genüber dieser Torsionsverformung angepaßt ist an den Beschleunigungsmeßbereich. Dies läßt sich durch entsprechende Wahl der Länge, Breite und Dicke der Biegebalken und dem Abstand des Schwerpunktes der Schweremasse von der durch die Biegebalken gebildeten Ebene ein stellen. Zur Erzielung hoher Empfindlichkeiten ist insbesondere eine geringe Breite und Dicke der Biegebalken erforderlich. Die unterschiedlichen Federkonstanten der Biegebalken gegenüber den Bewegungen der Schwe remasse werden dann durch die Anpassung der Biegebalkenlängen, -breiten und -dicken kom pensiert. Weiterhin kann die Form der Schweremasse beliebig sein, solange die senkrechte Projektion des Schwerpunktes der Schweremasse auf die Oberfläche des Beschleunigungsauf nehmers auf einer der durch die Biegebalken gebildeten Hauptachsen liegt.

Die Anordnung der piezoresistiven Widerstände bei dem Beschleunigungsaufnehmer nach Patentanspruch 1 hat den Vorteil, daß Be schleunigungen in Richtung der Längsachse der Biegebalken und Beschleunigungen in Rich tung senkrecht zu der durch die Biegebalken gebildeten Ebene nicht durch ein Potential, sondern durch eine Spannung detektiert werden. Diese Spannung ist direkt proportional zur Be schleunigung und ist insbesondere gleich Null im Fall verschwindender Beschleunigung. Wei terhin ist von Vorteil, daß nicht ein ganz bestimmter Abstand der piezoresistiven Widerstände von den inneren und äußeren Einspannstellen der Biegebalken erforderlich ist, um die ge wünschten Eigenschaften zu erzielen, sondern lediglich die Proportionen des Widerstandsla youts mit den Proportionen der mechanischen Struktur übereinstimmen müssen. Dies stellt insbesondere auch bei der Realisierung als mikromechanischer Beschleunigungsaufnehmer ei nen großen fertigungstechnischen Vorteil dar.

Die Anordnung der piezoresistiven Widerstände bei dem Beschleunigungsaufnehmer nach Patentanspruch 2 hat den Vorteil, daß zwei Komponenten einer beliebig gerichteten Beschleuni gung nicht nur durch eine Widerstandsänderung oder ein Potential, sondern durch jeweils eine Spannung detektiert werden. Diese Spannungen sind direkt proportional zu den Beschleuni gungen und sind insbesondere gleich Null im Fall verschwindender Beschleunigung. Weiter hin ist von Vorteil, daß nicht ein ganz bestimmter Abstand der piezoresistiven Widerstände von den inneren und äußeren Einspannstellen der Biegebalken erforderlich ist, um die gewünsch ten Eigenschaften zu erzielen, sondern lediglich die Proportionen des Widerstandslayouts mit den Proportionen der mechanischen Struktur übereinstimmen müssen. Dies stellt insbesondere auch bei der Realisierung als mikromechanischer Beschleunigungsaufnehmer einen großen fertigungstechnischen Vorteil dar.

Die Anordnung und Verschaltung der piezoresistiven Widerstände bei einem Beschleunigungsaufnehmer nach Patentanspruch 3 hat den Vorteil, daß mit diesen acht piezoresisti ven Widerständen die drei Komponenten einer beliebig gerichteten Beschleunigung nicht nur durch Widerstandsänderungen, sondern durch die Verknüpfung der Potentiale ermittelt werden können. Weiterhin ist von Vorteil, daß ein Empfindlichkeitsverhältnis x : y : z von 1 : 1 : 1 auch ohne zusätzliche Schweremasse erreicht werden kann. Diese Eigenschaften werden mit einer minimalen Anzahl von Biegebalken und piezoresistiven Widerständen erzielt. Dies ist ein wei terer Vorteil hinsichtlich Fertigungsaufwand und -kosten.

Die Anordnung und Verschaltung der piezoresistiven Widerstände bei einem Beschleunigungsaufnehmer nach Patentanspruch 4 hat den Vorteil, daß mit diesen acht piezoresistiven Widerständen die drei Komponenten einer beliebig gerichteten Beschleunigung nicht nur durch Widerstandsänderungen oder durch die Verknüp fung der Potentiale, sondern direkt, selektiv und einzeln durch Differenzspannungen gemessen oder ermittelt werden können. Weiterhin ist von Vorteil, daß ein Empfindlichkeitsverhältnis x : y : z von 1 : 1 : 1 auch ohne zusätzliche Schweremasse erreicht werden kann. Diese Eigen schaften werden mit einer minimalen Anzahl von Biegebalken und piezoresistiven Widerstän den erzielt. Dies ist ein weiterer Vorteil hinsichtlich Fertigungsaufwand und -kosten.

Für alle obengenannten Lösungen werden die Abstände der piezoresistiven Widerstände von den inneren oder äußeren Einspannungen der Biegebalken vorzugsweise klein gewählt. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht in der möglichen Empfindlichkeitsmaximierung.

In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die Erfindung einen Beschleunigungsaufnehmer, wo bei die Schweremasse durch zusätzliche Massenstücke, die auf die Ober- oder Unterseite des Beschleunigungsaufnehmers angebracht werden, erhöht werden kann. Dies hat den Vorteil, daß die ohnehin hohe Empfindlichkeit des Beschleunigungsaufnehmers weiter gesteigert wer den kann. Desweiteren sind die Verhältnisse der Empfindlichkeiten in die drei Raumrichtungen mit Hilfe eines oder mehrerer zusätzlicher Massenstücke zueinander einstellbar. Insbesondere kann dadurch auch ein Empfindlichkeitsverhältnis x : y : z von 1 : 1 : 1 erreicht werden.

Die Technologie zur Herstellung eines derartigen Beschleunigungsaufnehmers ist nicht auf die Siliziumtechnologie und Mikromechanik beschränkt, sondern weitere Technologien unter Ver wendung von keramischen, glasartigen oder metallischen Substratwerkstoffen sind möglich. Dies ermöglicht den Einsatz von Standardtechnologien auch aus dem Bereich der Dick- und Dünnschichttechniken sowie der Metallverarbeitung.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die mechanische Struktur der Beschleunigungsaufnehmer auch durch Fertigungsverfahren der Mikromecha nik hergestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, daß die Beschleunigungsaufnehmer mit hoher Präzision, in großer Stückzahl und sehr kostengünstig hergestellt werden können. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Beschleunigungsaufnehmer mit geringen Abmessungen und kleiner Masse hergestellt werden können. Von Vorteil ist auch die Möglichkeit, monolithische Beschleuni gungsaufnehmer mit sehr schmalen und dünnen Biegebalken mit Hilfe dieser Fertigungsver fahren herzustellen.

In einer weiteren Ausgestaltung können die Auswerteschaltung und weitere elektrische und elektronische Baugruppen monolit hisch oder hybrid auf dem Sensorsubstrat integriert werden kann. Dies hat den Vorteil, daß durch die Integration Volumen, Masse und Kosten eingespart werden können. Weiterhin ist von Vorteil, daß die Leistungsfähigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit solcher integrierter Be schleunigungssensoren sehr groß ist.

Ausführungsbeispiele

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfol gend beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1: Anordnung der piezoresistiven Widerstände auf den Biegebalken

Fig. 2: Einaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit Spannausgang

Fig. 3: Zweiaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang

Fig. 4: Dreiaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit Potentialausgang

Fig. 5: Dreiaxialer Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang

Fig. 6: Vergrößerung der Schweremasse durch zusätzliche Massenstücke

In Fig. 1a ist die Aufsicht und in Fig. 1b der Querschnitt eines erfindungsgemäßen Beschleuni gungsaufnehmers dargestellt. Die Schweremasse 1 ist an zwei Biegebalken 11, 12 aufgehängt. Der Schwerpunkt 2 der Schweremasse 1 liegt außerhalb der durch die Biegebalken 11, 12 ge bildeten Ebene 3, die senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1b verläuft. Die Ebene 3 hat einen Abstand 4 von der Oberfläche des Beschleunigungsaufnehmers, die nachfolgend als xy-Ebene bezeichnet wird. Dieser Abstand 4 ist halb so groß wie die Dicke 5 der Biegebalken. Die Längsachsen der beiden Biegebalken (16, 17) fallen zu einer Hauptachse 6 zusammen. Die piezoresistiven Widerstände 21, 22 sind derart auf den Biegebalken 11, 12 angeordnet, daß die senkrechte Projektion eine ihrer Symmetrieachsen auf die xy-Ebene mit der senkrechten Pro jektion der Hauptachse 6 der Biegebalken 11, 12 auf die xy-Ebene zusammenfällt. Die Form der Schweremasse 1 kann beliebig sein, solange die senkrechte Projektion des Schwerpunktes 2 der Schweremasse 1 auf die xy-Ebene auf die senkrechte Projektion der Hauptachse 6 auf die xy-Ebene fällt. Die Fig. 1c zeigt ein Beispiel eines rechteckförmigen piezoresistiven Wider standes 21 und die beiden Symmetrieachsen 18, 19. Die Fig. 1d zeigt die Verformung der Bie gebalken für Beschleunigungen in x-, y- und z-Richtung. Die Auslenkung ist aus Anschauungs gründen nicht maßstäblich. Eine beliebig gerichtete Beschleunigung ergibt eine Verformung, die sich durch Überlagerung der x-, y- und z-Komponente ergibt.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen einaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang dargestellt. Die Anordnung von vier piezoresistiven Widerständen 27-30 auf zwei Biegebalken 11, 12 ist derart, daß je nach Verschaltung dieser piezoresistiven Wider stände 27-30 zu einer Widerstandsmeßbrücke der Beschleunigungsaufnehmer nur für Be schleunigungen in x-Richtung eine Signalspannung 54 oder nur für Beschleunigungen in z- Richtung eine Signalspannung 53 bereitstellt. Die Abstände 8, 9 der piezoresistiven Wider stände 27-30 von den Einspannungen der Biegebalken 11, 12 können vorzugsweise paarweise gleich groß sein; insbesondere können auch alle Abstände identisch sein.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für einen zweiaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang dargestellt. Die sechs piezoresistiven Widerstände 33-38 sind auf den bei den Biegebalken 11, 12 derart angeordnet und verschaltet, daß sowohl eine Signalspannung 55 die Beschleunigung in z-Richtung repräsentiert als auch eine Signalspannung 56 die Beschleu nigung in x-Richtung repräsentiert. Die Abstände 82, 83 der piezoresistiven Widerstände 33-38 von den Einspannstellen der Biegebalken 11, 12 sind vorzugsweise für jeweils drei piezore sistive Widerstände identisch.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für einen dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit Po tential- oder Spannungsausgang dargestellt. Die acht piezoresistiven Widerstände 42-49 sind derart auf den vier Biegebalken 11-14 angeordnet, daß die erfindungsgemäße paarweise Ver schaltung der acht Widerstände 42-49 vier Potentiale 57-60 erzeugt, die nach der erfindung sgemäßen Verknüpfung drei Signale bereitstellen, welche die Bestimmung einer beliebig ge richteten Beschleunigung nach Betrag und Richtung ermöglichen. Die Abstände 85-88 der piezoresistiven Widerstände 42-49 von den Einspannstellen der Biegebalken 11-14 sind le diglich aus Anschauungsgründen für alle piezoresistiven Widerstände 42-49 identisch.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für einen dreiaxialen Beschleunigungsaufnehmer mit Spannungsausgang dargestellt. Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel in Fig. 4 liegt in ei ner abweichenden Verschaltung der piezoresistiven Widerstände 42-49 derart, daß alle drei Beschleunigungskomponenten in x-, y- und z-Richtung direkt als Spannungssignal zur Verfü gung stehen.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsaufnehmers mit vergrößerter Schweremasse aufgrund zusätzlicher Massestücke 90-92 dargestellt. Eine Möglichkeit der Justierung zusätzlicher Massen besteht in der Verwendung einer Kugel 90, die sich in einer mikromechanisch hergestellten Ätzgrube zentrisch selbst justiert. Die Schwere masse 91 hat einen Innenradius, der eine Passung zum Durchmesser der Kugel 90 darstellt. Mit der zweiten Zusatzmasse 92 kann der Schwerpunkt nach oben verlagert werden.

Claims

1. Piezoresistiver Beschleunigungsaufnehmer mit einem Rahmen und einer Schweremasse (1), wobei

1. die Schweremasse (1) durch zwei Biegebalken (11, 12) mit dem Rahmen verbunden ist,
2. die zwei Biegebalken (11, 12) in einer einzigen Ebene (3) liegen,
3. der Schwerpunkt (2) der Schweremasse (1) sich außerhalb der einzigen Ebene (3) befindet, und
4. die Längsachsen (16, 17) der zwei Biegebalken zu einer Hauptachse (6) zusammenfallen,

und wobei

1. vier piezoresistive Widerstände (27, 28, 29, 30) auf den zwei Biegebalken (11, 12) derart angeordnet sind, daß eine der Symmetrieachsen der Widerstände (27, 28, 29, 30) mit der Längsachse des zugehörigen Biegebalkens (16, 17) zusammenfällt,
2. der Abstand (8) des ersten piezoresistiven Widerstandes (27) von der äußeren Einspannung des ersten Biegebalkens (11) und der Abstand (8) des dritten piezoresistiven Widerstandes (29) von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12) gleich groß sind,
3. der Abstand (9) des zweiten piezoresistiven Widerstandes (28) von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens (11) und der Abstand (9) des vierten piezoresistiven Widerstandes (30) von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12) gleich groß sind,

und mit einer Auswerteschaltung bestehend aus einer Widerstandsmeßbrücke, gebildet durch eine erste Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände eins (27) und zwei (28) und eine zweite Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände drei (29) und vier (30), oder eine dritte Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände vier (30) und drei (29),
wobei die Widerstände (27, 28; 29, 30; 30, 29) in jeder Serienschaltung an einem Verknüpfungs punkt der Serienschaltung miteinander verbunden sind,
wobei an den Verknüpfungspunkten der ersten und zweiten Serienschaltungen eine Differenz spannung (53) abgreifbar ist, die nur für Beschleunigungskomponenten in einer z-Richtung senkrecht zu der einzigen Ebene (3) eine Empfindlichkeit aufweist,
oder an den Verknüpfungspunkten der ersten und dritten Serienschaltungen eine Differenz spannung (54) abgreifbar ist, die nur für Beschleunigungskomponenten in Richtung der Längsachsen (16, 17) eine Empfindlichkeit aufweist (Fig. 2).

2. Piezoresistiver Beschleunigungsaufnehmer mit einem Rahmen und einer Schweremasse (1), wobei

und wobei

1. sechs piezoresistive Widerstände (33, 34, 35, 36, 37, 38) auf den zwei Biegebalken (11, 12) derart angeordnet sind, daß eine der Symmetrieachsen der Widerstände (33, 34, 35, 36, 37, 38) mit der Längsachse des zugehörigen Biegebalkens (16, 17) zusammenfällt,
2. der Abstand (82) des ersten piezoresistiven Widerstandes (33) von der äußeren Einspannung des ersten Biegebalkens (11), und der Abstand (82) des dritten piezoresistiven Widerstandes (35) von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12), und der Abstand (82) des fünften piezoresistiven Widerstandes (37) von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12) gleich groß sind,
3. der Abstand (83) des zweiten piezoresistiven Widerstandes (34) von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens (11), und der Abstand (83) des vierten piezoresistiven Widerstandes (36) von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12), und der Abstand (83) des sechsten piezoresistiven Widerstandes (38) von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12) gleich groß sind,

und mit einer Auswerteschaltung bestehend aus
einer ersten Serienschaltung der Widerstände eins (33) und zwei (34),
einer zweiten Serienschaltung der Widerstände drei (35) und vier (36)
und einer dritten Serienschaltung der Widerstände fünf (37) und sechs (38),
wobei die Widerstände (33, 34; 35, 36; 37, 38) in jeder Serienschaltung an einem Verknüpfungspunkt der Serienschaltung miteinander verbunden sind,
wobei an den Verknüpfungspunkten der ersten und zweiten Serienschaltungen eine Differenzspannung (55) abgreifbar ist, die nur für Beschleunigungskomponenten in einer z-Richtung senkrecht zu der einzigen Ebene (3) eine Empfindlichkeit aufweist,
und an den Verknüpfungspunkten der ersten und dritten Serienschaltungen eine Differenzspannung (56) abgreifbar ist, die nur für Beschleunigungskomponenten in Richtung der Längsachsen (16, 17) eine Empfind lichkeit aufweist (Fig. 3).

3. Piezoresistiver Beschleunigungsaufnehmer mit einem Rahmen und einer Schweremasse (1), wobei

1. die Schweremasse (1) durch vier Biegebalken (11, 12, 13, 14) mit dem Rahmen verbunden ist,
2. die vier Biegebalken (11, 12, 13, 14) in einer einzigen Ebene (3) liegen,
3. der Schwerpunkt (2) der Schweremasse (1) sich außerhalb der einzigen Ebene (3) befindet, und
4. die Längsachsen (16, 17) von jeweils zwei der vier Biegebalken (11, 12, 13, 14) zu jeweils einer Hauptachse zusammenfallen,

und wobei

1. acht piezoresistive Widerstände (42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49) auf den vier Biegebalken (11, 12, 13, 14) derart angeordnet sind, daß eine der Symmetrieachsen der Widerstände (42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49) mit der Längsachse (16, 17) des zugehörigen Biegebalkens (11, 12, 13, 14) zusammenfällt,
2. der Abstand (85) des ersten piezoresistiven Widerstandes (42) von der äußeren Einspannung des ersten Biegebalkens (11), und der Abstand (85) des dritten piezoresistiven Widerstandes (44) von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12) gleich groß sind,
3. der Abstand (86) des zweiten piezoresistiven Widerstandes (43) von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens (11), und der Abstand (86) des vierten piezoresistiven Widerstandes (45) von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12) gleich groß sind,
4. der Abstand (87) des fünften piezoresistiven Widerstandes (46) von der äußeren Einspannung des dritten Biegebalkens (13), und der Abstand (87) des siebten piezoresistiven Widerstandes (48) von der inneren Einspannung des vierten Biegebalkens (14) gleich groß sind, und
5. der Abstand (88) des sechsten piezoresistiven Widerstandes (47) von der inneren Einspannung des dritten Biegebalkens (13), und der Abstand (88) des achten piezoresistiven Widerstandes (49) von der äußeren Einspannung des vierten Biegebalkens (14) gleich groß sind,

und mit einer Auswerteschaltung bestehend aus einer ersten Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände eins (42) und zwei (43),
und einer zweiten Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände vier (45) und drei (44),
und einer dritten Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände sechs (47) und fünf (46),
und einer vierten Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände sieben (48) und acht (49), wobei die Widerstände (42, 43; 45, 44; 47, 46; 48, 49) in jeder Serienschaltung an einem Verknüpfungspunkt (57, 58, 59, 60) der Serienschaltung miteinander verbunden sind, und wobei

1. sich die Beschleunigungskomponente in einer z-Richtung senkrecht zu der einzigen Ebene aus der Differenz der Summe der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der ersten (57) und zweiten (58) Serienschaltung und der Summe der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der dritten (59) und vierten (60) Serienschaltung ergibt,
2. sich die Beschleunigungskomponente in einer x-Richtung in der einzigen Ebene aus der Differenz der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der ersten (57) und zweiten (58) Serienschaltung ergibt,
3. und sich die Beschleunigungskomponente in einer y-Richtung, die in der einzigen Ebene mit der x-Richtung einen Winkel von 90° bildet, aus der Differenz der Potentiale an den Verknüpfungspunkten der dritten (59) und vierten (60) Serienschaltung ergibt (Fig. 4).

4. Piezoresistiver Beschleunigungsaufnehmer mit einem Rahmen und einer Schweremasse (1), wobei

und wobei

1. acht piezoresistive Widerstände (42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49) auf den vier Biegebalken (11, 12, 13, 14) derart angeordnet sind, daß eine der Symmetrieachsen der Widerstände (42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49) mit der Längsachse (16, 17) des zugehörigen Biegebalkens (11, 12, 13, 14) zusammenfällt,
2. der Abstand (95) des ersten piezoresistiven Widerstandes (42) von der äußeren Einspannung des ersten Biegebalkens (11),
und der Abstand (95) des zweiten piezoresistiven Widerstandes (43) von der inneren Einspannung des ersten Biegebalkens (11),
und der Abstand (95) des dritten piezoresistiven Widerstandes (44) von der inneren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12),
und der Abstand (95) des vierten piezoresistiven Widerstandes (45) von der äußeren Einspannung des zweiten Biegebalkens (12),
und der Abstand (95) des fünften piezoresistiven Widerstandes (46) von der äußeren Einspannung des dritten Biegebalkens (13),
und der Abstand (95) des sechsten piezoresistiven Widerstandes (47) von der inneren Einspannung des dritten Biegebalkens (13),
und der Abstand (95) des siebten piezoresistiven Widerstandes (48) von der inneren Einspannung des vierten Biegebalkens (14),
und der Abstand (95) des achten piezoresistiven Widerstandes (49) von der äußeren Einspannung des vierten Biegebalkens (14), gleich groß sind,

und mit einer Auswerteschaltung bestehend aus einer ersten Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände sieben (48) und vier (45),
und einer zweiten Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände zwei (43) und acht (49),
und einer dritten Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände drei (44) und fünf (46),
und einer vierten Serienschaltung der piezoresistiven Widerstände eins (42) und sechs (47), wobei die Widerstände (48, 45; 43, 49; 44, 46; 42, 47) in jeder Serienschaltung an einem Verknüpfungspunkt (61, 62, 63, 64) der Serienschaltung miteinander verbunden sind, und wobei

1. sich die Beschleunigungskomponente in einer z-Richtung senkrecht zu der einzigen Ebene aus der zwischen den Verknüpfungspunkten der vierten (64) und ersten (61) Serienschaltung abgreifbaren Spannung ergibt,
2. sich die Beschleunigungskomponente in einer x-Richtung in der einzigen Ebene aus der zwischen den Verknüpfungspunkten der zweiten (62) und ersten (61) Serienschaltung abgreifbaren Spannung ergibt, und
3. sich die Beschleunigungskomponente in einer y-Richtung, die in der einzigen Ebene mit der x-Richtung einen Winkel von 90° bildet, aus der zwischen den Verknüpfungspunkten der dritten (63) und ersten (61) Serienschaltung abgreifbaren Spannung ergibt (Fig. 5).

5. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abstände der piezoresistiven Widerstände von den inneren oder äußeren Einspannungen der Biegebalken klein sind.

6. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schweremasse (1) durch zusätzliche Massenstücke (90, 91, 92), die auf der Ober- oder Unterseite des Beschleunigungsaufnehmers anbringbar sind, vergrößerbar ist.

7. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Substratwerkstoff für den Beschleunigungsaufnehmer aus einem Halbleiterwerkstoff, insbesondere Silizium, einer Keramik, einem Glas oder einem Metall besteht.

8. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 7, wobei die mechanische Struktur des Beschleunigungsaufnehmers durch Fertigungsverfahren der Mikromechanik herstellbar ist.

9. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Auswerteschaltung und weitere elektrische und elektronische Baugruppen insbesondere auch monolithisch oder hybrid auf dem Sensorsubstrat integrierbar ist.