DE69816463T2

DE69816463T2 - Beschleunigungsmesser mittels beweglichem plattenelement mit elektrostatischer rückkopplung

Info

Publication number: DE69816463T2
Application number: DE69816463T
Authority: DE
Inventors: Maurice Moreau; Jean-Paul Menard
Original assignee: Sercel SAS
Current assignee: Sercel SAS
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1998-10-07
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2018-10-08
Also published as: CA2305505A1; US6497149B1; WO1999018443A1; JP2001519534A; DE69816463D1; FR2769369B1; EP1019734A1; CA2305505C; EP1019734B1; FR2769369A1

Description

Die Erfindung betrifft den Bereich der Beschleunigungsmesser. Genauer ist die Erfindung ein geregelter Beschleunigungsmesser mit einer beweglichen Platte, der Kapazitätsänderungen zum Detektieren der Bewegung einer Masse verwendet.
Mikrotechnisch gefertigte Beschleunigungsmesser sind mittlerweile in der Herstellung von Beschleunigungsmessern gut bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einer beweglichen Platte, der seismischen Masse, die mittels Federn an einer festen Armatur aufgehängt ist; die Einheit Bewegliche-Platte-Armatur-Federn wird dabei durch chemischen Zuschnitt in einer Siliziumscheibe erhalten.
Die bewegliche Platte umfaßt zum Beispiel eine Elektrode. Die feste Armatur umfaßt zwei Elektroden. Die bewegliche Elektrode bildet mit jeder der beiden festen Elektroden eine Kapazität. Wenn eine Beschleunigung auf den Sensor einwirkt verschiebt sich die bewegliche Platte in Bezug auf die feste Armatur und erzeugt so ein Ungleichgewicht der Kapazitäten. Eine Regelungsschaltung detektiert die Differenz zwischen den beiden Kapazitäten und reagiert mit der Anwendung einer Gegenwirkungsspannung, also einer elektrostatischen Kraft, zwischen der Elektrode der beweglichen Platte und den Elektroden der festen Armatur, um die bewegliche Platte in ihre Ausgangsposition zurückzuführen. Man verfügt auf diese Weise über einen elektrostatischen Motor zur Gegenwirkung.
Es ist bekannt, daß die elektrostatische Steifigkeit von der elektrostatischen Kraft abhängt. Für einen derartigen Sensor ist das Regelprinzip der elektrostatischen Steifigkeit wie folgend.
In Abwesenheit eines elektrischen Feldes zielt eine durch die Steifigkeit k_m der Federn (k_m ist die Ableitung der Rückstellkraft bezüglich der Auslenkung) gegebene Kraft F_m darauf ab die bewegliche Elektrode in ihre Ruhelage zurückzuführen. In Anwesenheit eines elektrischen Feldes (Spannung zwischen den festen Elektroden und der beweglichen Elektrode) zieht dagegen eine elektrostatische Kraft F_e die bewegliche Elektrode in Richtung der einen oder der anderen der festen Elektroden. Diese Kraft ist die Summe aus zwei Kräften in entgegengesetzter Richtung, proportional zum Quadrat des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden: F_e = ε₀(S₁E₁ ² – S₂E₂ ²), wobei S_i die Oberfläche des aus der festen Elektrode i und der beweglichen Elektrode gebildeten Kondensators ist, E = V_i/d_i, V_i ist die Spannung zwischen der Elektrode i der festen Platte und der Elektrode der gegenüberliegenden beweglichen Platte, d_i ist der Abstand zwischen der Elektrode i und der Elektrode der beweglichen Platte (i = 1 oder 2).
Diese elektrostatische Kraft hängt wie die Rückstellkraft der Federn, jedoch mit umgekehrter Richtung, vom Abstand zwischen den Elektroden, also von der Auslenkung, ab. Seine Ableitung bezüglich der Auslenkung ist die elektrostatische Steifigkeit k_d.
Es ist außerdem bekannt, daß die mechanische Resonanzfrequenz f_rm von der Masse m der beweglichen Platte und der Steifigkeit der Federn k_m abhängt:
Die Masse der beweglichen Platte ist im allgemeinen gut bekannt und in der Herstellung gut kontrolliert, was jedoch nicht für die Steifigkeit k_m der Federn gilt. Die Eigenschaften sind daher von einem Fertigungslos zum nächsten sehr unterschiedlich. Dies verlangt die Lösung eines wichtigen aber schwierigen Problems bei der Realisierung dieser Beschleunigungsmesser, das darin besteht eine genaue und reproduzierbare mechanische Resonanzfrequenz der Einheit Bewegliche-Platte-Federn zu erhalten. Die Dynamik (Verhältnis maximales Signal über Rauschen) dieses Sensortyps ist tatsächlich stark von dieser Frequenz abhängig.
Für Beschleunigungsmesser, die empfindlich für die vertikale Komponente sind, muß außerdem ein weiteres Problem gelöst werden: das Absinken der beweglichen Masse unter dem Effekt der Schwerkraft.
In den vertikalen Beschleunigungsmessern (empfindlich für die vertikale Komponente der Beschleunigung) sinkt die Masse unter ihrem eigenen Gewicht um einen Betrag Δz = mg/k_m(m = Masse der beweglichen Platte, g = Schwerebeschleunigung, k_m = mechanische Steifigkeit der Federn).
Da die Dynamik des Beschleunigungsmessers proportional zur Masse geteilt durch die Steifigkeit ist (S = m/k), erfordert die Erzielung guter Leistungen eine große Masse und eine kleine Steifigkeit. Dies führt zu einem Absinken mit großer Amplitude unter der Wirkung der Schwerkraft.
Nun muß zum einen in vertikaler Anordnung, für ein System mit freier Verformung, der Abstand zwischen den festen Platten und der beweglichen Platte wenigstens gleich dem Absinken sein. Andernfalls muß auf Systeme mit Rückstellung zurückgegriffen werden. Aber zum anderen führt ein zu großer Abstand zwischen den Elektroden zu schlechten Leistungen aufgrund der Schwierigkeiten ein ausreichendes elektrisches Feld zu erreichen. Das Absinken begrenzt daher die Leistung des Sensors.
Um diese Probleme zu lösen zu versuchen, wird allgemein eine Rejustierung der beweglichen Masse gegenüber der Armatur ausgeführt, was die Anwendung relativ komplexer Ausführungstechniken erfordert wie:

1. Vorspannen der Federn,
2. zusätzliche Kompensationsfedern,
3. elektrostatische Rückstellung (siehe Patent Nr. US 5 345 824 ),
4. elektromagnetische Fernrückstellung,
5. zusätzliche Fabrikationsschritte (siehe Patent Nr. US 4 922 756 ).

So beschreibt das Dokument US 4 922 756 die Herstellung eines mikrotechnisch gefertigten Sensors, dessen Federn während des Herstellungsprozesses genau kontrollierte Steifigkeitskonstanten haben. Dies wird jedoch um den Preis zusätzlicher technologischer Schritte in der Herstellung erreicht.
Das Patent US 5 345 824 behandelt das Problem der Streuung der Steifigkeitskonstante der Federn, wobei die mechanische Steifigkeitskonstante k_m minimiert wird, die Masse jedoch durch einen geringen Prozentsatz der gesamten verfügbaren elektrostatischen Kraft justiert wird. Das Ausgangssignal ist dann von der Konstante k_m unabhängig, da die Federn nicht ausgelenkt sind. In diesem Fall ist jedoch die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers verändert.
Der Fachmann sucht daher für gewöhnlich einen Kompromiß zwischen der Optimierung der Leistung durch die Verminderung der Steifigkeitskonstante, was jedoch das Absinken erhöht, der Optimierung der Leistung durch die Verringerung des Abstands zwischen den Elektroden zur Erreichung ausreichender elektrischer Felder, was jedoch die Möglichkeiten des Absinkens begrenzt, und der Optimierung des Bereichs der Nutzfrequenzen.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ein geregelter Beschleunigungsmesser mit einer beweglichen Platte, entsprechend der im beigefügten Anspruch 1 gegebenen Definition.
Eine solche Vorrichtung zur Regelung der Steifigkeit gemäß der Erfindung verbessert die Leistung des Systems, da sie es erlaubt gleichzeitig:

1. die Streuung der mechanischen Steifigkeit der Federn zur Aufhängung der beweglichen Platte zu kompensieren,
2. das Absinken der vertikalen Beschleunigungsmesser durch die Verwendung einer hohen mechanischen Steifigkeit, die durch eine hohe elektrostatische Steifigkeit kompensiert wird, zu begrenzen,
3. die Leistung in der Nutzbandbreite zu optimieren.

Es ist zu bemerken, daß durch das absichtliche Einstellen der mechanischen Resonanzfrequenz oberhalb der oberen Frequenz des Nutzbandes die Bedenken des Fachmanns überwunden wurden, wobei diese Lösung auf den ersten Blick ungünstig für die Dynamik ist, die proportional zu S = m/k_m ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers, umfaßt dieser zwei feste Elektroden, die voneinander elektrisch isoliert sind.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers, umfaßt dieser eine einzige bewegliche Elektrode.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform, erlaubt die elektronische Schaltung des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers eine Zeitmultiplexierung jeder beweglichen Elektrode.
Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Ausführungsform, weist der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser einen Zyklus der Zeitmultiplexierung auf, der vier Schritte umfaßt:

– ein erster Schritt, in dem eine Probespannung und deren zur Masse symmetrische Spannung respektive zwischen jeder festen Elektrode und der beweglichen Elektrode angelegt wird,
– ein zweiter Schritt, in dem die Ladung der aus einer der beiden festen Elektroden und der beweglichen Elektrode gebildeten Kapazität und die Ladung der aus der anderen festen Elektroden und der beweglichen Elektrode gebildeten Kapazität auf Null gesetzt werden,
– ein dritter Schritt, in dem eine Gegenwirkungsspannung an die eine oder andere der Kapazitäten, die durch die bewegliche Elektrode und eine der festen Elektroden gebildet werden, in Abhängigkeit von einer durch das Regelsystem getroffenen Entscheidung, angelegt wird,
– ein vierter Schritt, in dem die gleiche Operation wie bei der zweiten Stufe wiederholt wird.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform erlaubt die elektronische Schaltung des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers die Spannungsamplituden zwischen jeder festen Elektrode und jeder beweglichen Elektrode zu variieren, um die elektrostatische Steifigkeit einzustellen.
Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Ausführungsform, erlaubt die elektronische Schaltung des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers die Dauer der Zeitmultiplexierungsschritte zu justieren.
Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers, bildet die Justierung der Dauer der Zeitmultiplexierungsschritte ein Mittel zum Einstellen der elektrostatischen Steifigkeit.
Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers, bildet die Einstellung der elektrostatischen Steifigkeit ein Mittel zum Kompensieren der Streuung in der mechanischen Steifigkeit der Federn.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers bildet die Einstellung der elektrostatischen Steifigkeit ein Mittel zum Verringern des Absinkens, wenn der Beschleunigungsmesser in vertikaler Stellung ist, ohne Leistungsverlust.
Gemäß einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers, bildet die Einstellung der elektrostatischen Steifigkeit ein Mittel zum Optimieren der Leistungseigenschaften in Abhängigkeit vom Nutzband.
Der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser kann auch Bestandteil einer anderen komplexeren Vorrichtung sein.
Die folgende Beschreibung einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung ist rein illustrativ und nicht einschränkend. Sie ist mit Bezug auf die anhängenden Figuren zu lesen:
Die 1 stellt schematisch eine bestimmte, aber nicht einschränkende Ausführungsform des Sensors des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers dar.
Die 2 ist eine schematische Darstellung der Kapazitätsvorrichtung des Sensors.
Die 3 ist eine Übersicht einer bestimmten, aber nicht einschränkenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers.
Die 4 stellt schematisch ein Beispiel einer Periode der Multiplexierung der beweglichen Elektrode dar.
Die Erfindung, die gemäß der folgenden bestimmten, aber nicht einschränkenden Ausführungsform funktionieren und realisiert werden kann, umfaßt einen Sensor 1 und eine elektronische Schaltung 10.
Der Sensor 1 umfaßt die folgenden Elemente:

– eine Armatur 2,
– zwei feste Elektroden 3 und 4, die fest mit der Armatur 2 verbunden sind,
– eine bewegliche Elektrode 5, die von einer beweglichen Platte 6 gehalten wird,
– Federn 7, die in elastischer Weise die bewegliche Platte 6 mit der Armatur 2 verbinden.

Die bewegliche Platte 6, die die bewegliche Elektrode 5 trägt, die Armatur 2 mit der die festen Elektroden 3 und 4 verbunden sind sowie die Federn 7 werden in einem Halbleitersubstrat durch übliche technologische Verfahren der Mikrofabrikation mikrotechnisch gefertigt: chemische Gravierung, Ionenerosion, Photo- oder Elektrolithographie, Ionische-Implantation etc. Der Halbleiter kann zum Beispiel Silizium sein.
Die bewegliche Elektrode 5 wird durch eine einfache leitende Zone oder mehrere, elektrisch untereinander verbundene, leitende Zonen gebildet.
Jede der festen Elektroden 3 und 4 wird durch eine einfache leitende Zone oder mehrere, elektrisch untereinander verbundene, leitende Zonen gebildet. Die so beschriebenen festen Elektroden 3 und 4 sind voneinander elektrisch isoliert.
Die bewegliche Elektrode 5 ist von den festen Elektroden 3 und 4 elektrisch isoliert.
Die bewegliche Elektrode 5 bildet mit jeder der festen Elektroden 3 und 4 eine Kapazität. Der Sensor 1 umfaßt also zwei Kapazitäten 8 und 9, die die bewegliche Elektrode 5 als gemeinsame Elektrode haben.
Die bewegliche Elektrode 5 soll sich unter dem Einfluß einer Kraft zwischen den beiden festen Elektroden 3 und 4 bewegen. Wenn eine Beschleunigung auf den Sensor angewendet wird, erzeugt somit die Verschiebung der beweglichen Elektrode 5 gleichzeitig eine Veränderung der Kapazität der Kapazitäten 8 und 9.
In einer vorteilhaften aber nicht einschränkenden Ausführungsform, ist die elektronische Schaltung 10 vom Typ "geschalteter Kapazitäten". Sie umfaßt außerdem Spannungsgeneratoren 14, 15 und 19, eine Kapazität 21, einen Verstärker 22 und ein Regelsystem 20. Sie wird durch einen Taktgeber 30 getaktet.
Vier Schalter 11, 12, 13 und 17 gestatten es, wahlweise und während bestimmter Phasen des Zyklus des Taktgebers 30, bestimmte Elemente der elektronischen Schaltung 10 ein- und auszuschalten.
Der Schalter 11 gestattet es, die feste Elektrode 3 wahlweise mit der Masse, mit +V_m 14 oder mit der Generatorschaltung für eine Gegenwirkungsspannung V_cr 16 zu verbinden. Der Schalter 12 gestattet es, die feste Elektrode 4 wahlweise mit der Masse, mit –V_m 15 oder mit der Generatorschaltung für die Gegenwirkungsspannung V_cr 16 zu verbinden. Der Schalter 13 gestattet es, die bewegliche Elektrode 5 wahlweise mit dem Eingang der Regelsystems 20 oder mit der Masse zu verbinden. Der Schalter 17 gestattet es, den Generator der Spannung V_ref 19 einzuschalten.
Die Schalter 11, 12 und 13 gestatten es auch, zur Entladung der Kondensatoren 8 beziehungsweise 9, die Elektroden 3, 4 und 5 an Masse zu legen. Der Kondensator 21 wird auch durch einen (nicht dargestellten) Schalter entladen.
Vorteilhafterweise wird eine parallele RC-Schaltung 18 in der Generatorschaltung der Gegenwirkungsspannung V_cr 16 angebracht. Die parallele RC-Schaltung 18 umfaßt eine Entladekapazität C_d 23 und einen Entladewiderstand R_d 24.
Diese parallele RC-Schaltung 18 wird parallel zu einem Generator der Spannung V_ref 19 angebracht. Der Schalter 17 gestattet es, die parallele RC-Schaltung 18 mit dem Generator der Spannung V_ref 19 zu verbinden.
Wie weiter unten erläutert, detektiert das Regelsystem 20 die Veränderung der Kapazitäten 8 und 9, indem es eine Spannung +V_m und –V_m zwischen der beweglichen Elektrode 5 und den festen Elektroden 3 und 4 anlegt und reagiert, indem es eine Gegenwirkungsspannung +V_cr zwischen der beweglichen Elektrode 5 und einer der festen Elektroden 3 und 4 anlegt, wobei die Gesamtheit Feste-Elektroden-Bewegliche-Elektrode einen elektrostatischen Motor zur Gegenwirkung bildet, der die bewegliche Elektrode 5 in ihre Ausgangsposition zurückführt. Das Regelsystem 20 kann ein Sigma-Delta-Modulationssystem umfassen.
Der Zyklus des Taktgebers 30 bestimmt eine Multiplexierung der beweglichen Elektrode 5. Eine Periode dieser Multiplexierung wird in 4 dargestellt. Diese Periode bestimmt ein zeitliches Intervall der Länge P.
Zur Zeit T₁ der Multiplexierungsperiode setzen die Schalter 11 und 12 die Elektroden 3 und 4 mit den Spannungsgeneratoren 14 und 15 in elektrischen Kontakt. Der Schalter 13 setzt die bewegliche Elektrode 5 in Kontakt mit der Kapazität 21. Diese Position der Schalter 11, 12 und 13 wird bis zur Zeit T₂ aufrechterhalten. Dieses Zeitintervall zwischen T₁ und T₂ stellt den Schritt 1 der Feststellung der Position der beweglichen Elektrode 5 dar.
Zur Zeit T₂ legen die Schalter 11, 12 und 13 die entsprechenden festen Elektroden 3 und 4 beziehungsweise die bewegliche Elektrode 5 an Masse und bleiben in dieser Konfiguration bis zur Zeit T₃. Das Zeitintervall zwischen T₂ und T₃ definiert den Schritt 2.
Zur Zeit T₃ setzen die Schalter 11 und 12 die Elektroden 3 oder 4 mit dem Spannungsgenerator 16 in Kontakt und bleiben bis zur Zeit T₄ in dieser Position. Von T₃ bis T₄ läuft der Schritt 3 der Anwendung der Gegenwirkungskraft ab, die als Motor auf die bewegliche Elektrode 5 wirkt.
Zur Zeit T₄ legen die Schalter 11 und 12 die festen Elektroden 3 und 4 an Masse und bleiben bis zur Zeit T₁ plus P in dieser Position. Von T₄ bis T₁ plus P läuft der Schritt 4 ab.
Der Zyklus des Taktgebers 30 definiert also 4 Schritte:

Schritt 1: Die Position der beweglichen Elektrode 5 wird durch die Anwendung zweier zur Masse symmetrischer Spannungsstufen +V_m und –V_m zwischen den festen Elektroden 3 beziehungsweise 4 und der beweglichen Elektrode 5 gemessen. Falls die bewegliche Elektrode 5 nicht zentriert ist, sind der Wert C₁ der Kapazität 8 und der Wert C₂ der Kapazität 9 nicht gleich, woraus ein Ladungstransfer ΔQ = V_m(C₁ – C₂) in die Kapazität 21 resultiert. Die Position der beweglichen Elektrode 5 am Ende des Schritts 1 wird durch die Spannung V_S repräsentiert.
Schritt 2: Die Ladung der Kapazitäten 8 und 9 wird auf Null gesetzt.
Schritt 3: Eine Gegenwirkungsspannung V_cr wird in Abhängigkeit einer vom Regelsystem 20 getroffenen Entscheidung auf eine der Kapazitäten 8 oder 9 angewendet, wobei die Entscheidung selbst von der Auslenkung der beweglichen Elektrode 5 aus ihrer Normalposition (für die C₁ = C₂) abhängt. Diese Spannung V_cr entwickelt eine elektrostatische Kraft Fd, die die bewegliche Elektrode 5 in ihre Normalposition zurückzuführen versucht.
Schritt 4: Die Ladung der Kapazitäten 8 und 9 wird auf Null gesetzt.

Das Nullsetzen der Werte der Kapazitäten 8 und 9 beseitigt die gegenseitige Beeinflussung der Positionsmessung und der Anwendung der Gegenwirkungsspannung.
Die Dauer jedes dieser Schritte kann kontrolliert werden.
Die Gegenwirkungsspannung V_cr kann konstant sein, d. h. sie wird auf die Elektroden 3 oder 4 und 5 in Form eines Rechteckimpulses angewendet, vorteilhafter wird die Gegenwirkungsspannung V_cr jedoch auf die Elektroden 3 oder 4 und 5 in Form eines Impulses mit einer geraden steigenden Flanke und einer fallenden Flanke vom exponentiell fallenden Typ angewendet.
Dies gestattet es die Empfindlichkeit gegenüber den Flanken des Taktgebers, d. h. dem Rauschen der Phase des Taktgebers, zu vermindern und somit das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors zu verbessern. Tatsächlich ist die auf die bewegliche Elektrode 5 angewendete elektrostatische Kraft Fd proportional zum Integral des Quadrats der Gegenwirkungsspannung V_cr. Das auf die fallende Impulsflanke einwirkende Rauschen der Phase verändert also den Wert dieses Integrals wenig wenn die Gegenwirkungsspannung V_cr sich zunehmend abschwächt und gegen Ende des Impulses sogar verschwindet. Daher kann zum Beispiel ein Abfallen vom Typ eines exponentiellen Abfallens oder einer gedämpften Sinusfunktion passend sein.
Vorteilhafterweise wird in diesem Fall die Gegenwirkungsspannung V_cr in der folgenden Weise erzeugt: Die Kapazität C_d 23 wird mit Hilfe des Generators der Spannung V_ref 19 während der Schritte 1, 2 und/oder 4 auf eine Referenzspannung V_ref geladen. Während des Schritts 3, welcher der Schritt der Anwendung der Gegenwirkungsspannung V_cr ist, wird die Kapazität C_d 23 zwischen die bewegliche Elektrode 5 und die eine oder die andere der festen Elektroden 3 und 4 sowie mit den Anschlüssen des Entladewiderstands R_d 24 verbunden. Die Entscheidung die Gegenwirkungsspannung V_cr auf die eine oder die andere der festen Elektroden 3 und 4 anzuwenden, wird in Abhängigkeit des Vorzeichens der Auslenkung der beweglichen Platte 6 getroffen.
Das Prinzip der Regelung der Resonanzfrequenz des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers wird nachfolgend beschrieben.
Die wirksame Resonanzfrequenz f_ra ist an die Masse der beweglichen Platte und an die wirksamen Rückstellsteifigkeit gekoppelt:
mit k_a (wirksame Steifigkeit) = k_m (Steifigkeit der Federn) – k_e (elektrostatische Steifigkeit) und m Masse der beweglichen Platte.
Der Wert von k_a kann somit eingestellt werden, indem die elektrostatische Steifigkeit k_e verändert wird.
Die Leistung des Sensors wird durch den Umstand verbessert, daß sie an die wirksame Resonanzfrequenz f_ra und nicht an die mechanische Resonanzfrequenz
gekoppelt ist und das k_a vermindert werden kann, d. h. die zu S = m/k_a proportionale Dynamik erhöht wird.
Bei der Realisierung des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers entscheidet man sich dafür die mechanische Resonanzfrequenz oberhalb der oberen Frequenz des interessierenden Bands zu legen (erhöhte Steifigkeit k_m). Dies gestattet es, das Absinken zu begrenzen, den Interelektrodenabstand zu vermindern, und somit stärkere elektrische Felder (also eine hohe elektrostatische Steifigkeit k_e) zu verwenden und so zu dosieren, daß die wirksame Resonanzfrequenz in das interessierende Band zurückgeholt wird.
Der Bereich der denkbaren Frequenzen für die Multiplexierung ist zum Beispiel das 100- bis 500-fache der höchsten Nutzfrequenz.
Dies erleichtert es, im interessierenden Band eine erhöhte Regelkreisverstärkung zu erreichen, ohne die Stabilität des geregelten Systems zu beeinträchtigen.
Gemäß einer bestimmten, aber nicht einschränkenden Ausführungsform der Regelung des erfindungsgemäßen Beschleunigungsmessers wird die elektrostatische Steifigkeit k_d durch eine Einstellung der Dauer des Schritts 1 festgelegt. Die Einstellung der Dauer des Schritts 1 wird bevorzugt, da sie nur auf den Parameter k_e einwirkt.
In kontinuierlichen Systemen ist die elektrostatische Steifigkeit, als Ableitung der elektrostatischen Kraft bezüglich des Abstands zwischen den Elektroden, proportional zum Quadrat der Spannung und umgekehrt proportional zur dritten Potenz des Abstands zwischen den Elektroden. In abgetasteten Systemen, sofern die Abtastfrequenz wesentlich oberhalb der Grenzfrequenz des Systems liegt, ist sie außerdem proportional zum zyklischen Verhältnis der Anwendung der Spannung (Ta/Te, wobei Ta die Zeitspanne der Anwendung der Gegenwirkungsspannung V_cr und Te die Zeitspanne der Abtastung ist).
In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, könnte die Amplitude der Spannung zwischen den festen Elektroden 3 und 4 und der beweglichen Elektrode 5 mit Hilfe der elektronischen Schaltung 10 variiert werden. Diese Maßnahme kann auch ein Mittel zur Regelung der elektrostatischen Steifigkeit bilden, selbst wenn die Leistung des Beschleunigungsmessers in diesem Fall schlechter sind, als bei der Einstellung der elektrostatischen Steifigkeit durch Veränderung der Dauer des Schritts 1. Die Variation der Amplitude der während des Schritts 1 angewendeten Spannung verändert die Empfindlichkeit der Positionsfeststellung der beweglichen Elektrode 5, was die Stabilität der Gegenwirkungs-Regelschleife beeinflußt. Die Variation der Amplitude der Spannung oder der Dauer des Schritts 3 verändert auch die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers. Es ist auch möglich eine Regelung der elektrostatischen Steifigkeit auszuführen, indem im Verlauf der zeitlichen Multiplexierung gleichzeitig die Amplitude der Spannung zwischen den festen Elektroden 3 und 4 und der beweglichen Elektrode und die Dauer des Schritts der Positionsmessung und/oder des Schritts der Anwendung der elektrostatischen Kraft variiert wird.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Regelung der Resonanzfrequenz ist es möglich:

– die Streuung der mechanischen Steifigkeit der Federn 7 zu kompensieren und somit die Realisierung der Beschleunigungsmesser zu vereinfachen.
– das Absinken der vertikalen Beschleunigungsmesser ohne Leistungseinbußen zu verringern,
– die Leistung entsprechend des Nutzbands zu optimieren.

In der seismischen Prospektierung für die Geophysik ist es zum Beispiel üblich die Bandbreite der Aufnahmekette der Signale in Abhängigkeit von der untersuchten Zonen oder der gewünschten Untersuchungstiefen zu variieren: 100, 200 oder 400 Hz. Falls die Resonanzfrequenz eines Beschleunigungsmessers des bisherigen Stands der Technik für eine gegebene Bandbreite optimiert ist, 100 Hz zum Beispiel, ist die Leistung bei der Benutzung für 400 Hz sehr verschlechtert. Durch eine Neueinstellung der elektrostatischen Steifigkeit, wie bei einem Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung, ist es möglich die optimale Leistung wieder zu erreichen.
So wie oben beschrieben, umfaßt der erfindungsgemäße Beschleunigungsmesser einen Sensor 1 mit einer beweglichen Elektrode 5 und zwei festen Elektroden 3 und 4, jedoch kann der Sensor 1 auch aus mehreren beweglichen Elektroden 5 und mehr als zwei festen Elektroden 3 und 4 bestehen. Ebenso können mehrere Sensoren 1 zusammengeschlossen werden, um einen Beschleunigungsmesser gemäß der Erfindung zu bilden, für den die Resonanzfrequenz jedes Sensors 1 durch eine mechanische Steifigkeit und eine Regelung der elektrostatischen Steifigkeit so wie oben beschrieben festgelegt wird.
Ein erfindungsgemäßer Beschleunigungsmesser kann für die seismische Prospektierung, für die Detektion von Erschütterungen für Sicherheitssysteme wie "Air-Bags", etc. verwendet werden.
Zahlreiche Vorrichtungen mit verschiedenen Anwendungen können unter ihren Bauelementen einen durch die vorliegende Erfindung wie oben beschriebenen und wie folgend beanspruchten Beschleunigungsmesser haben.

Claims

Beschleunigungsmesser, der durch eine bewegliche Platte gesteuert ist und Kapazitätsänderungen zum Detektieren der Bewegung einer Masse verwendet, umfassend: – wenigstens zwei feste Elektroden (3, 4), die mit einer Armatur (2) fest verbunden sind, – wenigstens einer beweglichen Elektrode (5), die durch Federn (7) zwischen den beiden festen Elektroden (3, 4) an der Armatur (2) aufgehängt ist, derart, daß zwei Kapazitäten (8, 9) gebildet werden, wobei jede bewegliche Elektrode (5) unter der Wirkung einer Beschleunigung zwischen den festen Elektroden (3, 4) versetzbar ist, wodurch sie eine Änderung von jeder Kapazität (8, 9) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß – er eine elektronische Schaltung (10) aufweist, die ein Einstellen der elektrostatischen Steifigkeit einer durch wenigstens zwei feste Elektroden (3, 4) und eine bewegliche Elektrode (5) gebildeten Gruppe erlaubt und ein Regelsystem (20) umfaßt, das die Änderung von jeder Kapazität (8, 9) durch Anlegen zweier, gegenüber der Masse symmetrischer Spannung (+V_m, –V_m) detektiert und durch Anlegen einer Gegenwirkungsspannung (+V_cr, –V_cr) zwischen jeder beweglichen Elektrode (5) und einer der festen Elektroden (3, 4) gegenüber der beweglichen Elektrode (5) reagiert, und dadurch, daß – die Federn (7) eine Steifigkeit haben, die derart gewählt ist, daß die Frequenz der mechanischen Resonanz absichtlich über der oberen Frequenz des interessierenden Bandes liegt, und dadurch, daß – die Schaltung (10), welche die Einstellung der elektrostatischen Steifigkeit erlaubt, dazu eingerichtet ist, die Frequenz der wirksamen Resonanz in das interessierende Band herabzusetzen.
Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei feste Elektroden (3) umfaßt, die voneinander elektrisch isoliert sind.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine einzelne bewegliche Elektrode (5) umfaßt.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung (10) eine Zeitmultiplexierung jeder beweglichen Elektrode (5) erlaubt.
Beschleunigungsmesser nach den in Kombination genommenen Ansprüchen 2, 3 und 4, wobei der Zyklus der Multiplexierung vier Schritte aufweist, bei denen es sich um folgende handelt: einen ersten Schritt, während dem eine Probespannung und deren zur Masse symmetrische an jede feste Elektrode (3, 4) und die bewegliche Elektrode (5) respektive angelegt werden, einen zweiten Schritt, während dem die Ladung der Kapazität (8, 9), die durch eine der beiden festen Elektroden (3, 4) und die bewegliche Elektrode (5) gebildet wird, und die Ladung der Kapazität, die durch die andere feste Elektrode (3, 4) und die bewegliche Elektrode (5) gebildet wird, auf Null gesetzt werden, einen dritten Schritt, während dem eine Gegenwirkungsspannung an die eine oder andere der Kapazitäten (8, 9), die durch die bewegliche Elektrode (5) und eine der festen Elektroden (3, 4) gebildet werden, in Abhängigkeit von einer durch das Regelsystem (20) getroffenen Entscheidung angelegt wird, und einen vierten Schritt, während dem die gleiche Operation wie bei der zweiten Stufe wiederholt wird.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung (10) erlaubt, die Spannungsamplituden zwischen jeder festen Elektrode (3, 4) und jeder beweglichen Elektrode (5) zu variieren, um die elektrostatische Steifigkeit einzustellen.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektronische Schaltung (10) erlaubt, die Dauer der Zeitmultiplexierungsschritte zu justieren.
Beschleunigungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Justierung der Dauer der Zeitmultiplexierungsschritte ein Mittel zum Einstellen der elektrostatischen Steifigkeit bildet.
Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der elektrostatischen Steifigkeit ein Mittel zum Kompensieren der Streuung in der mechanischen Steifigkeit der Federn (7) bildet.
Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 6, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der elektrostatischen Steifigkeit ein Mittel zum Verringern des Absinkens, wenn er in vertikaler Stellung ist, ohne Leistungsverlust bildet.
Beschleunigungsmesser nach einem der Ansprüche 6 und 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der elektrostatischen Steifigkeit ein Mittel zum Optimieren der Leistungseigenschaften in Abhängigkeit von dem Nutzband bildet.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenwirkungsspannung zwischen jeder beweglichen Elektrode (5) und der festen Elektrode (3 oder 4) in Form eines Pulses mit einer geringer werdenden, am Ende des Pulses sogar Null werdenden, Rückflanke angelegt wird.
Beschleunigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine parallele RC-Schaltung (18) zum Erzeugen einer Gegenwirkungsspannung in Form eines Pulses mit einer geraden Vorderflanke und einer Rückflanke vom exponentiell abnehmenden Typ aufweist.
Anwendung eines Beschleunigungsmessers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur seismischen Erkundung.