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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2006 059 928 A1 ein Beschleunigungssensor mit Kammelektroden bekannt, welcher eine auslenkbar mit einem Substrat verbundene seismische Masse, fest mit dem Substrat verbundene Substratelektroden und fest mit der seismische Masse verbundene Gegenelektroden aufweist. Die Substratelektroden und die Gegenelektroden sind dabei jeweils als parallel zur Auslenkungsrichtung verlaufende Substrat- und Gegenlamellen ausgeführt, welche sich in einem Ruhezustand teilweise überlappen.
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Die zur Detektion einer Auslenkung verwendeten Elektroden solcher Sensoranordnungen müssen vor der erstmaligen Inbetriebnahme der Sensoranordnung elektrisch abgeglichen werden, um Fertigungsschwankungen zu kompensieren. Ferner muss eine Auswerteschaltung, welche die von den Elektroden gemessenen Signale auswertet, abgeglichen werden. Ein solcher Abgleich erfolgt üblicherweise durch Anlegen einer bekannten Referenzauslenkung, welche mittels der Elektroden und der Auswerteschaltung gemessen wird. Durch den Vergleich der gemessenen Auslenkung mit der Referenzauslenkung wird ein Skalierungsfaktor, im Nachfolgenden auch Abgleichsfaktor genannt, bestimmt, welcher ein Maß für Abweichung der Sensoranordnung ist und in zukünftigen Messungen zur Korrektur der gemessenen Signale verwendet wird. Bei einer solchen Abgleichprozedur muss sich die Sensoranordnung in Ruhe befinden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Abgleich einer Sensoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Abgleich der Sensoranordnung ohne Anlegen einer Referenzauslenkung ermöglicht wird. Vorteilhafterweise ist somit ferner das Vorliegen einer Ruhelage zur Durchführung des Abgleichs nicht erforderlich. Dies wird dadurch erzielt, dass die erste Überlappung größer als die zweite Überlappung ist. Bei einer Auslenkung der seismischen Masse aus einer Ruhelage entlang der Auslenkungsrichtung wird von der ersten und der zweiten Messelektrode somit ein unterschiedliches Messsignal gemessen. Wenn der geometrische Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Überlappung bekannt ist, ist aus der Differenz zwischen den beiden unterschiedlichen Signalen auf den Skalierungs- bzw. Abgleichsfaktor zu schließen. Die Durchführung eines Abgleichs ist somit im Vergleich zum Stand der Technik erheblich einfacher, schneller und kostengünstiger, wodurch sich die Herstellungskosten der Sensoranordnung reduzieren. Die Sensoranordnung umfasst vorzugsweise einen mikromechanischen Beschleunigungssensor, wobei das Substrat vorzugsweise ein Halbleitermaterial und insbesondere Silizium umfasst. Die Auslenkung der seismischen Masse wird kapazitiv durch eine Änderung einer ersten elektrischen Kapazität zwischen der ersten Messelektrode und der seismischen Masse bestimmt, sowie durch eine Änderung einer zweiten elektrischen Kapazität zwischen der zweiten Messelektrode und der seismischen Masse bestimmt. Die erste und die zweite Kapazität ändern sich dabei entweder durch eine Änderung der ersten und der zweiten Überlappung (eine sogenannte Kammelektrodenanordnung) oder alternativ durch eine Änderung eines ersten Abstands zwischen der ersten Messelektrode und der seismischen Masse, sowie eine Änderung eines zweiten Abstands zwischen der zweiten Messelektrode und der seismischen Masse (eine sogenannte Kondensatorplattenanordnung). Die Auslenkungsrichtung ist in beiden Fällen vorzugsweise parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Substrats ausgerichtet. Alternativ ist aber auch denkbar, dass die Auslenkungsrichtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene ausgerichtet ist. Die Überlappungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Überlappung liegt bevorzugt zwischen 0,1 und 10 Mikrometern, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 3 Mikrometern und ganz besonders bevorzugt zwischen 1 und 2 Mikrometern.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Überlappung eine zur Auslenkungsrichtung senkrechte teilweise Überdeckung der seismische Masse mit der ersten Messelektrode umfasst und dass die zweite Überlappung eine zur Auslenkungsrichtung senkrechte teilweise Überdeckung der seismische Masse mit der zweiten Messelektrode umfasst, wobei die erste Überlappung entlang der Auslenkungsrichtung größer als die zweite Überkappung ist. In vorteilhafter Weise wird somit der im Vergleich zum Stand der Technik einfachere, schnellere und kostengünstigere Abgleich auch bei einer solchen Sensoranordnung ermöglicht, welche eine Kammelektrodenstruktur umfasst. Die Detektion der Auslenkung wird hierbei durch eine aufgrund der Auslenkung der seismischen Masse gegenüber dem Substrat hervorgerufene Änderung der jeweiligen Überlappungsfläche erzielt. Bei der Auslenkung sind die Signale der ersten und zweiten Messelektroden zur Bestimmung des Abgleichsfaktors unterschiedlich, da entlang der Auslenkungsrichtung eine Erstreckung der ersten Überlappung größer als eine Erstreckung der zweiten Überlappung ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die seismische Masse eine der ersten Messelektrode zugeordnete erste Gegenelektrode und eine der zweiten Messelektrode zugeordnete zweite Gegenelektrode derart umfasst, dass die erste Überlappung zwischen der ersten Messelektrode und der ersten Gegenelektrode und die zweite Überlappung zwischen der zweiten Messelektrode und der zweiten Gegenelektrode ausgebildet ist. In vorteilhafter Weise ist somit eine vergleichsweise kompakte Ausbildung der Sensoranordnung möglich, welche insbesondere eine Vielzahl von ersten und zweiten Messelektroden umfasst, wobei jeder ersten Messelektrode eine erste Gegenelektrode und jeder zweiten Messelektrode eine zweite Gegenelektrode zugeordnet ist. Die erste (bzw. zweite) Messelektrode und die erste (bzw. zweite) Gegenelektrode sind dabei einander zugewandt und unmittelbar zueinander benachbart.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Länge der ersten Messelektrode entlang der Auslenkungsrichtung ungleich der Länge der zweiten Messelektrode entlang der Auslenkungsrichtung ist oder dass die Länge der ersten Messelektrode entlang der Auslenkungsrichtung im Wesentlichen gleich der Länge der zweiten Messelektrode entlang der Auslenkungsrichtung ist, wobei die zweiten Messelektrode gegenüber der ersten Messelektrode entlang der Auslenkungsrichtung versetzt angeordnet ist. In einfacher Weise wird somit eine unterschiedliche erste und zweite Überlappung erzielt. Die Überlappungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Überlappung entspricht damit entweder der Längendifferenz zwischen der ersten und zweiten Elektrode oder vom Versatz zwischen der ersten und zweiten Elektrode. Die Auflösung der Überlagpungsdifferenz hängt lediglich von der lithographischen Auflösung des Herstellungsprozesses ab.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Detektionsmittel eine weitere erste Messelektrode umfassen, welche im Wesentlichen baugleich zur ersten Messelektrode ausgebildet ist und welche mit der ersten Messelektrode elektrisch leitfähig verbunden ist und welche senkrecht zur Auslenkungsrichtung gegenüber der ersten Gegenelektrode im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur ersten Messelektrode angeordnet ist, und/oder dass die Detektionsmittel eine weitere zweite Messelektrode umfassen, welche im Wesentlichen baugleich zur zweiten Messelektrode ausgebildet ist und welche mit der zweiten Messelektrode elektrisch leitfähig verbunden ist und welche senkrecht zur Auslenkungsrichtung gegenüber der zweiten Gegenelektrode im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur zweiten Messelektrode angeordnet ist. In vorteilhafter Weise wird somit die Auflösung bei der Detektion der Auslenkung erhöht und der Einfluss von Störfaktoren, welche beispielsweise durch eine der Auslenkung überlagerte Störauslenkung senkrecht zur Auslenkungsrichtung erzeugt werden, reduziert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung eine zur ersten Messelektrode baugleiche dritte Messelektrode und eine zur zweiten Messelektrode baugleich vierte Messelektrode aufweise, wobei die dritte und vierte Messelektrode auf der seismischen Massen entlang der Auslenkungsrichtung gegenüberliegenden Seite angeordnet sind, so dass die seismische Masse entlang der Auslenkungsrichtung im Wesentlichen zwischen der ersten und der dritte Messelektrode bzw. zwischen der zweiten und vierten Messelektrode angeordnet ist. Auf diese Weise wird eine volldifferenzielle Auswertung der Auslenkung der seismischen Masse relativ zum Substrat entlang der Auslenkungsrichtung ermöglicht, wodurch sich die Genauigkeit und die Fehlerunanfälligkeit der Sensoranordnung insgesamt erhöhen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste und/oder zweite Messelektrode elektrisch leitfähig mit einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Kapazitätsspannungswandler, verbunden ist und/oder dass die Sensoranordnung einen mikromechanischen Beschleunigungssensor und/oder einen mikromechanischen Drehratensensor umfasst. Ferner ist denkbar, dass die Detektionsmittel in einem vom Abgleichverfahren abweichenden Betriebszustand der Sensoranordnung Antriebsmittel umfassen und lediglich zur Kalibrierung der Sensoranordnung in dem Abgleichverfahren als Detektionsmittel Verwendung finden. Die Antriebsmittel sind dann vorzugsweise zum Antrieb einer Auslenkung bzw. einer Schwingung der seismischen Masse relativ zum Substrat entlang der Auslenkungsrichtung vorgesehen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abgleich einer Sensoranordnung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine erste elektrische Kapazität zwischen der ersten Messelektrode und der seismischen Masse gemessen wird und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt eine zweite elektrische Kapazität zwischen der zweiten Messelektrode und der seismischen Masse gemessen wird und wobei ferner in einem dritten Verfahrensschritt ein Abgleichfaktor für die Sensoranordnung in Abhängigkeit der ersten und der zweiten elektrischen Kapazität, sowie in Abhängigkeit der Überlappungsdifferenz zwischen der ersten Überlappung und der zweiten Überlappung ermittelt wird. Im Vergleich zum Stand der Technik ist somit vorteilhafterweise ein Abgleich der Sensoranordnung ohne Anlegen einer Referenzauslenkung ermöglicht wird. Dies wird dadurch erzielt, dass bei Kenntnis der Überlappungsdifferenz aus dem Vergleich der unterschiedlichen ersten und zweiten elektrischen Kapazität der Skalierungs- bzw. Abgleichsfaktor zu bestimmen ist. Die Überlappungsdifferenz ist dabei vorteilhafterweise ein fester geometrischer Wert, welcher insbesondere durch die unterschiedliche geometrische Ausbildung der ersten und zweiten Messelektrode basiert und dessen Genauigkeit lediglich von der lithographischen Auflösung des Herstellungsprozesses abhängt. Die Durchführung eines Abgleichs ist somit im Vergleich zum Stand der Technik erheblich einfacher, schneller und kostengünstiger, wodurch sich die Herstellungskosten der Sensoranordnung reduzieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im ersten Verfahrensschritt mittels der Auswerteeinheit eine erste Spannung in Abhängigkeit der ersten elektrischen Kapazität ermittelt wird und dass im zweiten Verfahrensschritt mittels der Auswerteeinheit eine zweite Spannung in Abhängigkeit der zweiten elektrischen Kapazität ermittelt wird, wobei im dritten Verfahrensschritt der Abgleichsfaktor in Abhängigkeit der Überlappungsdifferenz, sowie in Abhängigkeit der Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung ermittelt wird. Vorteilhafterweise sind elektrische Spannungen schaltungstechnisch vergleichsweise einfach und präzise weiterzuverarbeiten, so dass eine einfache und präzise Bestimmung des Abgleichsfaktors ermöglicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt die Überlappungsdifferenz zwischen der ersten Überlappung und der zweiten Überlappung entlang der Auslenkungsrichtung ermittelt wird und/oder in einem vierten Verfahrensschritt die seismische Masse gegenüber dem Substrat entlang der Auslenkungsrichtung ausgelenkt wird, wobei der dritte Verfahrenschritt zeitlich vor und/oder während des ersten und zweiten Verfahrensschrittes durchgeführt wird. In vorteilhafter Weise wird somit der im Vergleich zum Stand der Technik einfachere, schnellere und kostengünstigere Abgleich auch bei einer solchen Sensoranordnung ermöglicht, welche eine Kammelektrodenstruktur umfasst, wobei die Detektion der Auslenkung durch eine aufgrund der Auslenkung der seismischen Masse gegenüber dem Substrat hervorgerufene Änderung der jeweiligen Überlappungsfläche erzielt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in einem fünften Verfahrensschritt die Sensoranordnung und insbesondere die Auswerteeinheit in Abhängigkeit des Abgleichfaktors kalibriert werden. Vorteilhafterweise muss sich die Sensoranordnung somit zur Kalibrierung der Sensoranordnung nicht in einer Ruheposition befindet, wodurch das Kalibrierungsverfahren einfacher, präziser und kostengünstiger wird. Ferner ist somit eine (Nach-)Kalibrierung im laufenden Betrieb der Sensoranordnung möglich.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen
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1 eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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2 eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sensoranordnung 1 weist ein Substrat 2 mit einer im Wesentlichen zur Bildebene parallelen Hauptstreckungsebene 101 auf. Ferner weist die Sensoranordnung 1 eine seismische Masse 3 auf, welche gegenüber dem Substrat 2 entlang einer Auslenkungsrichtung 100 beweglich aufgehängt ist. Die seismische Masse 3 fungiert beispielsweise als Detektionsmasse, auf welche bei Anwesenheit von äußeren auf die Sensoranordnung 1 wirkenden Beschleunigungskräften Trägheitskräfte wirken, welche die seismische Masse 3 relativ zum Substrat 2 entlang der Auslenkungsrichtung 100 auslenken. Die seismische Masse 3 ist vorzugsweise mittels nicht abgebildeten Federelementen am Substrat 2 und zumindest parallel zur Auslenkungsrichtung 100 elastisch auslenkbar. Die Auslenkrichtung 100 ist im vorliegenden Beispiel parallel zur Haupterstreckungsebene 101 ausgerichtet. Alternativ wäre jedoch auch denkbar, dass die Auslenkungsrichtung 100 senkrecht zur Haupterstreckungsebene 101 verläuft. Zur Bestimmung der anliegenden äußeren Beschleunigungskräfte wird die Auslenkung der seismischen Masse 3 gegenüber dem Substrat 2 mittels Detektionsmitteln 4 bestimmt. Die Detektionsmittel 4 umfassen eine erste und zweite Messelektrode 10, 20, welche jeweils substratfest ausgebildet sind. Die seismische Masse 3 umfasst ferner eine erste und eine zweite Gegenelektrode 12, 22, welche jeweils der ersten und zweiten Messelektrode 10, 20 zugeordnet sind. Die erste Gegenelektrode 12 ist dabei unmittelbar zur ersten Messelektrode 10 benachbart angeordnet, während die zweite Gegenelektrode 22 zur zweiten Messelektrode 20 benachbart angeordnet ist. Die erste Gegenelektrode 12 wird entlang einer Projektionsrichtung 102, welche senkrecht zur Auslenkungsrichtung 100 und parallel zur Haupterstreckungsebene 101 verläuft, von der ersten Messelektrode 10 überlappt. Diese Überlappung wird im Folgenden als erste Überlappung 11 bezeichnet. Analog weist die Sensoranordnung 1 eine zweite Überlappung 21 auf, in welcher die zweite Gegenelektrode 22 entlang der Projektionsrichtung 102 von der zweiten Messelektrode 20 überlappt wird. Die Erstreckung der ersten Überlappung 11 entlang der Auslenkungsrichtung 100 ist dabei größer ausgebildet als die Erstreckung der zweiten Überlappung 21 entlang der Auslenkungsrichtung 100, da die erste Messelektrode 10 entlang der Auslenkungsrichtung 100 länger als die zweite Messelektrode 20 ausgebildet ist. Dies führt dazu, dass bei einer Auslenkung der seismischen Masse 3 gegenüber dem Substrat 2 zwischen der ersten Messelektrode 10 und der ersten Gegenelektrode 12 eine erste elektrische Kapazität messbar ist, welche größer als eine zwischen der zweiten Messelektrode 20 und der zweiten Gegenelektrode 22 messbare zweite elektrische Kapazität ist. Die Sensoranordnung 1 weist ferner eine Auswerteeinheit 5 in Form eines Kapazitätsspannungswandlers auf, welche die erste elektrische Kapazität in eine erste Spannung und die zweite elektrische Kapazität in eine zweite Spannung umwandelt. Die Sensoranordnungen 1 muss nun elektrisch abgeglichen werden, d. h. es muss ein Skalierungsfaktor bzw. Abgleichsfaktor bestimmt werden, mit welchem im Betriebsmodus Fertigungsschwankungen und Ungenauigkeiten in der Auswerteschaltung kompensiert werden. Zur Durchführung des Abgleichs der Sensoranordnung 1 wird dabei zunächst die seismische Masse 3 entlang der Auslenkungsrichtung 100 ausgelenkt und nacheinander mittels eines Schalters 31 zuerst die erste Spannung und dann die zweite Spannung bestimmt. Aufgrund der unterschiedlich großen ersten und zweiten Überlappung 11, 21 sind auch die erste und die zweite Spannung unterschiedlich groß. In Abhängigkeit eines Vergleichs zwischen der ersten und der zweiten Spannung und in Abhängigkeit der bekannten geometrischen Überlappungsdifferenz 30, d. h. der Längendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Messelektrode 10, 20 entlang der Auslenkungsrichtung 100, ist anschließend der Skalierungsfaktor bzw. der Abgleichsfaktor unmittelbar zu bestimmen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Vermessung einer bekannten Referenzauslenkung in einer Ruhestellung der Sensoranordnung 1 daher nicht erforderlich. Die Überlappungsdifferenz 30 zwischen der ersten und der zweiten Überlappung entlang der Auslenkungsrichtung 100 liegt vorzugsweise zwischen 1 und 2 Mikrometern. Die Sensoranordnung 1 umfasst insbesondere eine Vielzahl von ersten Messelektroden 10 und entsprechenden ersten Gegenelektroden 12, welche als ineinandergreifende Kammelektrodenstruktur ausgebildet sind. Ferner ist denkbar, dass die Sensoranordnung 1 alternativ oder zusätzlich eine Vielzahl von zweiten Messelektroden 20 und entsprechenden zweiten Gegenelektroden 22 aufweist, welche ebenfalls als ineinandergreifende Kammelektrodenstruktur ausgebildet sind.
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In 2 ist eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform im Wesentlichen der in 1 illustrierten ersten Ausführungsform gleicht, wobei die Detektionsmittel 4 ferner eine weitere erste Messelektrode 13, sowie eine weitere zweite Messelektrode 23 umfassen. Die weitere erste Messelektrode 13 ist dabei elektrisch leitfähig mit der ersten Messelektrode 10 verbunden und ist senkrecht zur Auslenkungsrichtung 100 gegenüber der ersten Gegenelektrode 12 im Wesentlichen spiegelsymmetrisch zur ersten Messelektrode 10 angeordnet. Die erste Gegenelektrode 12 ist daher entlang einer zur Auslenkungsrichtung 100 senkrechten und zur Haupterstreckungsebene 100 parallelen Richtung 102 symmetrisch zwischen der ersten und der weiteren Messelektroden 10, 13 angeordnet. Eine Überlappung zwischen der weiteren ersten Messelektrode 13 und der ersten Gegenelektrode 12 ist zwangsläufig genauso groß wie die erste Überlappung 11 zwischen der ersten Messelektrode 10 und der ersten Gegenelektrode 12. Die weitere zweite Messelektrode 23 ist bezüglich der zweiten Messelektrode 20 und der zweiten Gegenelektrode 22 analog angeordnet und ausgebildet. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform weist die Sensoranordnung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform ferner weitere Detektionsmittel 4' auf, welche bezüglich einer Spiegelebene 103 spiegelsymmetrisch zu den Detektionsmitteln 4 angeordnet und ausgebildet sind. Die Spiegelebene 103 verläuft dabei senkrecht zur Haupterstreckungsebene 101 und senkrecht zur Auslenkungsrichtung 100, sowie mittig durch die seismische Masse 3. Die weiteren Detektionsmittel 4' umfassen eine zur ersten Messelektrode 10 spiegelsymmetrisch ausgebildete dritte Messelektrode 10', eine zur weiteren ersten Messelektrode 13 spiegelsymmetrisch ausgebildete weitere dritte Messelektrode 13', eine zur zweiten Messelektrode 20 spiegelsymmetrisch ausgebildete vierte Messelektrode 20' und eine zur weiteren zweiten Messelektrode 23 spiegelsymmetrisch ausgebildete weitere vierte Messelektrode 23'. Die seismische Masse 3 weist ferner eine zur ersten Gegenelektrode 12 spiegelsymmetrische weitere erste Gegenelektrode 12', sowie eine zur zweiten Gegenelektrode 22 spiegelsymmetrische weitere zweite Gegenelektrode 22' auf. In dem Ruhezustand ist eine weitere erste Überlappung 11' zwischen der dritten Elektrode 10' (bzw. weiteren dritten Elektrode 13') gleich groß wie die erste Überlappung 11. Analog ist im Ruhezustand eine weitere zweite Überlappung 21' zwischen der vierten Elektrode 20' (bzw. weiteren vierten Elektrode 23') gleich groß wie die zweite Überlappung 11. Aufgrund der Spiegelsymmetrie bezüglich der Spiegelebene 103 ist eine weitere Überlappungsdifferenz 30' zwischen der weiteren ersten Überlappung 11' und der weiteren zweiten Überlappung 21' stets genauso groß wie die Überlappungsdifferenz 30. Eine Auslenkung der seismischen Masse 3 entlang der Auslenkungsrichtung 100 bewirkt bei den weiteren Detektionsmitteln 4' Messsignale, welche den Detektionsmitteln 4' genau komplementär sind. Insgesamt wird die Genauigkeit der Sensoranordnung somit durch eine differenzielle Auswertung der Messsignale erhöht. Zur Auswertung sind die erste, zweite, dritte und vierte Messelektrode 10, 20, 10', 20' jeweils elektrisch leitfähig mit einer weiteren Auswerteeinheit 5 verbunden. Das Abgleichverfahren wird bei der differentiell auswertenden Sensoranordnung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform vorzugsweise in ähnlicher Weise wie bei der Sensoranordnung 1 gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt, wobei die erste Spannung beispielsweise anhand der Differenz zwischen erster elektrischer Kapazität und einer weiteren ersten elektrischen Kapazität zwischen der dritten Messelektrode 10' (bzw. der weiteren dritten Messelektrode 13') und der weiteren ersten Gegenelektrode 12' ermittelt wird. Analog wird beispielsweise die zweite Spannung ermittelt. Alternativ ist aber auch denkbar, dass zuerst der Vergleich zwischen der ersten und der zweiten Spannung einerseits und der weiteren ersten und der weiteren zweiten Spannung andererseits durchgeführt wird und anschließend in Abhängigkeit der bekannten geometrischen Überlappungsdifferenz 30 aus den Vergleichen der Skalierungsfaktor bzw. der Abgleichsfaktor bestimmt wird. Unter der Annahme, dass sich die Auslenkung nicht ändert gilt: Die erste Spannung U1 ergibt sich aus U1 AASIC·C0·2·x, während sich die zweite Spannung U2 aus U2 ∝ AASIC·C0·(2·x + λ) ergibt. Hierbei ist AASIC eine beliebig sich langsam verändernde Verstärkung, C0 = ε·hepi·d–1 eine Grundkapazität, x die Auslenkung der seismischen Masse 3 parallel zur Auslenkungsrichtung 100 und λ die Überlappungsdifferenz, d. h. insbesondere der Längenunterschied zwischen der ersten und der zweiten Messelektrode 10, 20. Aus der Spannungsdifferenz zwischen der ersten und zweiten Spannung ΔU = U2 – U1 und Normierung auf die Überlappungsdifferenz λ kann direkt auf die Auslenkung x geschlossen werden durch x = U1·(2·ξ)–1, wobei ξ–1 der Skalierungsfaktor ist. ξ beschreibt ferner das Verhältnis zwischen der Spannungsdifferenz ΔU und der Überlappungsdifferenz λ. Auf diese Weise ist der Skalierungsfaktor ξ–1 bestimmbar und ein Abgleich der Sensoranordnung mit bekanntem Skalierungsfaktor möglich ξ–1. Als alternative Ausführungsform ist denkbar, dass die seismische Masse 3 entlang der Auslenkungsrichtung um den Ruhezustand schwingt und dass die Messung der ersten Spannung für eine vollständige Schwingungsperiode durchgeführt wird. Anschließend wird die zweite Spannung während einer weiteren vollständigen Schwingungsperiode durchgeführt. Dies entspricht einer Mittelung und vereinfacht zusätzlich die Anforderungen an die Auswerteschaltung bezüglich der Wandlungsgeschwindigkeit von elektrischer Kapazität in elektrische Spannung. Eine Erweiterung dieses Ansatzes auf Mittelung über mehrere Elektroden ist ebenfalls denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006059928 A1 [0002]
