DE4229558C2

DE4229558C2 - Beschleunigungsaufnehmer

Info

Publication number: DE4229558C2
Application number: DE4229558A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Rer Nat Neff; Joachim Dr Rer Nat Beeck
Original assignee: Tzn Forschung & Entwicklung
Current assignee: Tzn Forschung & Entwicklung
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1992-09-04
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2012-09-05
Also published as: US5412988A; GB2270386A; FR2695479A1; GB9317089D0; DE4229558A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Beschleunigungsaufnehmer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Empfindliche Beschleunigungsaufnehmer spielen in der Naviga tion, in der Raumfahrt, zur Sicherstellung schwerkraftfreier Zustände, für die Messung von Vibrationen sowie für die Lager stättenerkundung eine große Rolle. Sie basieren im wesentli chen auf der Verschiebung einer schweren Masse unter dem Ein fluß einer beschleunigenden Kraft. Die so hervorgerufene Weg längenänderung wird in eine geeignete physikalische Meßgröße überführt, beispielsweise in eine Widerstands- oder Kapazi tätsänderung etc. und kann damit in einem entsprechenden Meß kreis ausgewertet werden.

Bekannte Beschleunigungsaufnehmer, die beispielsweise Kreisel oder Dehnungsmeßstreifen in Verbindung mit der Verschiebung einer Testmasse nutzen, sind vergleichsweise unempfindlich, mechanisch komplex und teuer. Piezoelektrische Beschleuni gungsaufnehmer (vgl. z. B. DE-PS 34 40 811) haben in der Regel einen Meßbereich in der Größenordnung von 0,1 bis 3 g.

Aus der EP 0 301 816 A2 ist ein Beschleunigungsaufnehmer bekannt, bei dem die Testmasse von einem mikromechanischen, an einem Siliziumsubstrat ausgebildeten Biegebalken gebildet wird. Zur Messung der Verschiebung des Biegebalkens ist an seinem freien Ende eine wechselstromversorgte, ein Magnetfeld liefernde Erregerspule vorgesehen, die induktiv mit einer entsprechenden Spule der Detektoreinrichtung gekoppelt ist.

Aus der DE 41 03 589 A1 ist ebenfalls ein Beschleunigungsauf nehmer bekannt, bei dem die Testmasse von einem mikromechani schen, an einem Siliziumsubstrat ausgebildeten Biegebalken gebildet wird. Zur Messung der Verschiebung des Biegebalkens ist allerdings an seinem freien Ende eine Schicht mit einem hartmagnetischen, aufmagnetisierten Material enthalten. Zu einer Erfassung eines von dieser Schicht hervorgerufenen Magnetfeldes soll mindestens ein ortsfestes Sensorelement, insbesondere ein magnetoresistiver Sensor, vorgesehen sein.

In der US 4,841,772 wird ein relativ voluminöser Beschleuni gungsaufnehmer offenbart, bei dem die Lage der Testmasse mit Hilfe eines Quanten-Interferenz-Detektors (SQUID) ermittelt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beschleunigungsaufnehmer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der minia turisiert ist und eine äußerst große Empfindlichkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Ein derartiger hochempfindlicher Beschleunigungsaufnehmer, der einen großen Dynamikbereich umfaßt, ist aufgrund der verwendeten Silizi umtechnologie miniaturisiert (geringe Abmessungen und geringes Gewicht) und zudem in vergleichsweise hohen Stückzahlen kostengünstig ausführbar, wobei eine Empfindlichkeit von 10^-7 bis gegebenenfalls 10^-10 g erreicht werden kann, so daß sich der Beschleunigungsaufnehmer insbesondere für die Raumfahrt eignet, zumal hiermit sehr kleine Beschleunigungen meßbar sind.

Supraleitende Quanten-Interferenz-Detektoren, bzw. Anordnungen hiervon zur Messung von Magnetfeldern und elek tronische Einrichtungen zur Auswertung, Verarbeitung und Darstellung der gewonnenen Informationen, wie sie in dem Beschleunigungsaufnehmer ver wendet werden, sind an sich bekannt, vgl. beispielsweise DE-OSen 32 47 543, 32 47 585, 35 15 237, 35 29 815, 35 38 186 (Digitalisierung von SQUID-Signalen) oder 40 27 481, wobei Hochtemperatursupraleiter, etwa YBa₂Cu₃O_7-x, verwendet werden können.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels naher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch das hier angewendete physikalische Prinzip für einen Beschleunigungsaufnehmer.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm für den Beschleunigungsaufneh mer.

Fig. 3 zeigt ausschnittweise eine Ausführungsform für einen Beschleunigungsaufnehmer.

Fig. 4 zeigt schematisiert den Beschleunigungsaufnehmer von Fig. 3 seitlich im Schnitt.

Der Beschleunigungsaufnehmer umfaßt gemäß Fig. 1 einen einsei tig befestigten, mikromechanischen Biegebalken 1, dessen freies Ende einen ferromagnetischen Kern 2 mit einer n Windungen 3 aufweisenden Er regerspule 4 trägt. Der ferromagnetische Kern 2 besitzt eine ausgeprägte Spitze bzw. spitze Kante 5. Die Erregerspule 4 erzeugt, wenn sie strom durchflossen ist, ein inhomogenes, lokales Magnetfeld, wobei der schema tische Verlauf von dessen magnetischem Fluß Φ(ϕ) als Funktion der Durch biegung ϕ des Biegebalkens 1 in Fig. 1 dargestellt ist. Das inhomogene Magnetfeld wirkt auf die Aufnahmewindung eines SQUIDs 6 (supraleitender Quanten- Interferenz-Detektor) oder gegebenenfalls eine SQUID-Anordnung (in Dünnfilmtechnik ausgeführt) ein, der bzw. die als Magnetometer die Änderung des magnetischen Flusses dΦ/dϕ mißt, wenn eine äußere Kraft den Biegebalken 1 verbiegt.

Der Beschleunigungsaufnehmer umfaßt gemäß Fig. 2 eine Wechsel stromversorgung 7 für die Erregerspule 4, die letztere mit einem Wech selstrom mit vorgegebener Frequenz versorgt, und eine Netzversorgung 8 für den SQUID 6. Das Nutzsignal des letzteren wird vorzugsweise einem Lock-in-Verstärker 9 - über eine nicht weiter dargestellte Signalanpas sungsschaltung - zugeführt, der auf einem zweiten Eingang ein Referenz signal für die an der Erregerspule 4 angelegte Wechselstromspannung von der Wechselstromversorgung 7 empfängt. Das Ausgangssignal des Lock-in- Verstärkers 9 wird einem A/D-Wandler 10 zugeführt, dessen Ausgang mit einem Mikroprozessor 11 zwecks digitaler Signalverarbeitung verbunden ist.

Das durch die Erregerspule 4 erzeugte magnetische Feld bewirkt bei unterschiedlicher Durchbiegung des Biegebalkens 1 eine unterschied liche Anzeige des Magnetfeldes, die bei kleinen Durchbiegungen direkt mit der einwirkenden Kraft bzw. der Beschleunigung korreliert ist. Für größere Durchbiegungen ist die Abhängigkeit nicht mehr linear. Es bedarf daher in der Regel einer Bestimmung des Zusammenhangs aus Meßreihen oder aber aus mechanischen Betrachtungen, um zu einer Kalibrationskurve bzw. einer Abhängigkeitsfunktion zu kommen, die den Zusammenhang zwischen Durchbiegung des Biegebalkens 1 und des am Ort des SQUIDs 6 gemessenen Magnetfelds zur Bestimmung der Beschleunigung herstellt.

Vorteilhaft ist hierbei die zweckmäßigerweise vorgesehene elektrische Ansteuerung der Erregerspule 4 derart, daß sie zugleich als Referenz für den Lock-in-Verstärker 9 dient. Hieraus ergibt sich eine durch Frequenzselektion extrem schmalbandige, ein sehr geringes Rauschen aufweisende Verstärkung des SQUlD-Signals und eine entsprechend hohe Empfindlichkeit und ein verbesserter Dynamikumfang.

Der Beschleunigungsaufnehmer umfaßt ein Siliziumsubstrat 12 mit einem Fenster 13. Der mikromechanische Biegebalken 1 von einer Länge von im wesentlichen mehreren 100 µm und einer Breite viel größer als seine Stärke sowie einer Länge viel größer als seine Breite ist ein stückig mit dem Siliziumsubstrat 12 ausgebildet und erstreckt sich in den Bereich des Fensters 13 (Fig. 3 und 4). Am freien Ende des Biegebal kens 1 ist der ferromagnetische Kern 2 angeordnet, auf dem die Erreger spule 4 mit n Windungen 3 elektrisch isoliert zum Kern 2 und als mikro elektronisches Bauelement ausgeführt angeordnet ist. Elektrische Leiter bahnen 14 führen über den Biegebalken 1 zur Erregerspule 4 zu deren Stromversorgung. Der ferromagnetische Kern 2 besitzt eine Spitze oder spitze Kante 5, die quer zur Längsachse des Biegebalkens 1 verläuft. Der ferromagnetische Kern 2 besitzt zweckmäßigerweise Abmessungen in der Größenordnung von ca. 0.1 bis 0.3 mm. Am freien Ende des Biegebalkens 1 kann ferner eine zusätzliche Masse 15 angeordnet sein.

Das Siliziumsubstrat 12 ist auf einem thermisch isolierenden Körper 16 angeordnet, die ferner einen gekühlten SQUID 6 aufnimmt, des sen Aufnahmewindung gegenüber von der spitzen Kante 5 des ferromagneti schen Kerns 2 benachbart zum Fenster 13 angeordnet ist. Bei dem SQUID 6 handelt es sich insbesondere um einen solchen auf der Basis eines Hoch temperatursupraleiters, beispielsweise YBa₂Cu₃O_7-x. Dieser wird bei spielsweise über eine Kühlfläche 17 auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff gekühlt. Dies geschieht vorzugsweise mittels eines Gasstrom kühlers (Joule-Thompson-Kühler) oder eines Split-Stirling-Kühlers.

Um eine Beeinflussung der Messung durch äußere Magnetfelder zu vermeiden, ist es zweckmäßig, den Beschleunigungsaufnehmer magnetisch abzuschirmen. Dies kann beispielsweise mit einer Ummantelung aus µ-Me tall geschehen.

Claims

1. Beschleunigungsaufnehmer mit einer durch eine äußere Kraft verlagerbaren Testmasse sowie einer Detektorein richtung zur Feststellung einer Verlagerung der Test masse, wobei die Testmasse von einem mikromechanischen, an einem Siliziumsubstrat (12) ausgebildeten Biegebalken (1) gebildet wird, der an seinem freien Ende eine wech selstromversorgte, ein Magnetfeld liefernde Erregerspule (4) trägt, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Detektoreinrichtung um eine gekühlte SQUID-Anordnung (6) handelt, und daß das Nutzsignal der SQUID-Anordnung (6) über einen von einem Referenzsignal der Wechselstromver sorgung (7) der Erregerspule (4) angesteuerten Lock-in- Verstärker verstärkbar ist.

2. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule auf einem ferromagnetischen Kern (2) angeordnet ist.

3. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegebalken (1) an seinem freien Ende mit einer zusätzlichen Masse (15) versehen ist.

4. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliziumsubstrat (12) auf einem ther misch isolierenden Körper (16) angeordnet ist, der die SQUID-Anordnung (6) thermisch vom Siliziumsubstrat (12) isoliert.

5. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Abschirmung vorgesehen ist.

6. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die magnetische Abschirmung aus einer Ummantelung aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Metall, insbesondere µ-Metall, besteht.

7. Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der ferromagnetische Kern (2) mit einer der SQUID-Anord nung (6) zugewandten Spitze bzw. spitzen Kante (5) versehen ist.

8. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die SQUID-Anordnung (6) aus einem oder meh reren hochtemperatursupraleitenden Quanten-Interferenz-Detektoren gebil det wird.

9. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die SQUID-Anordnung (6) durch einen Joule- Thompson-Kühler kühlbar ist.

10. Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die SQUID-Anordnung (6) durch einen Split- Stirling-Kühler kühlbar ist.