DE102006020521A1 - Air pressure measurement arrangement for use in motor vehicle`s tire, has electronic controlling/measuring device determining movement absorption along predetermined distance, where absorption indicates measure for ambient pressure - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of technology
Die Sensortechnologie nimmt heutzutage insbesondere in der Automobiltechnik einen hohen Stellenwert ein. Um die Betriebsbedingungen des Motors optimal steuern zu können, werden zum Beispiel Lambdasonden eingesetzt, Klopfsensoren, um den optimalen Verbrennungsdruck zu regeln, und Reifendrucksensoren, um den Luftdruck in den Reifen des Kfz zu ermitteln.The Sensor technology is taking over nowadays especially in automotive engineering a high priority. To the operating conditions of the engine to be able to control optimally For example, lambda probes are used, knock sensors to the regulate optimal combustion pressure, and tire pressure sensors, to determine the air pressure in the tires of the vehicle.
Für die Auslösung der Hilfsaggregate, insbesondere von Sicherheitsvorrichtungen des Kfz, werden häufig Beschleunigungssensoren eingesetzt.For the release of the Auxiliary equipment, in particular safety devices of the motor vehicle, become common Acceleration sensors used.
Als
Beschleunigungsmesssensoren haben sich bisher Sensoren etabliert,
die über
Halbleitertechnologie und in Oberflächenmikromechaniktechnik konzipiert
sind. Ein solcher Sensor zur kapazitiven Aufnahme einer Beschleunigung
ist in
Im
Falle von
Durch den Einsatz von durch Oberflächenmikrotechnik entworfenen und gefertigten Sensorstrukturen, werden die Strukturen so klein, dass gängige Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung der Viskosität von Gasen im Makrobereich nicht mehr anwendbar sind. D.h., im Bereich dieser Mikrostrukturen von Beschleunigungssensoren gelten also andere Gesetzmäßigkeiten für die Beschreibung der Gasviskosität. Falls wie im konkreten Fall die Strukturdimensionen zwischen einzelnen Elektroden im Bereich der mittleren freien Weglänge von Gasmolekülen liegen, sind die gängigen Navier-Stokes-Gleichungen zur Beschreibung der Strömungsmechanik von Gasen nicht mehr anwendbar. Weil die mittlere freie Weglänge mit sinkendem Druck wächst gilt dies bei kleinerem Druck für größere Abstände.By the use of by surface microtechnology designed and manufactured sensor structures, the structures become so small that common laws for the description of the viscosity of gases in the macro-area are no longer applicable. That is, in the area These microstructures of acceleration sensors are therefore different laws for the Description of gas viscosity. If, as in the concrete case, the structural dimensions between individual Electrodes are in the range of the mean free path of gas molecules are the common ones Navier-Stokes equations describing fluid mechanics of gases no longer applicable. Because the mean free path with declining pressure is growing this applies at lower pressure for larger distances.
Untersuchungen haben gezeigt, dass ein vorhandener Gasfilm eine Dämpfung auf die Strukturen der Sensorelemente ausübt, welche druckabhängig ist. Sie sind dargelegt in „The influence of gas-surface interaction on gas-film damping in a silicon accelerometer" by Timo Veijola, Heikki Kuisma, Juha Lahdenperä, Helsinki University of Technology, Department of Electrical Communications Engineering Circuits Laboratory, offenbart in Elsevier Science SA 1998, 0924-42447/98. Die Erfindung nutzt diese Erkenntnisse.investigations have shown that an existing gas film has an attenuation the structures of the sensor elements exerts, which is pressure-dependent. They are set forth in "The Influence of gas-surface interaction on gas film accelerometer "by Timo Veijola, Heikki Kuisma, Juha Lahdenpera, Helsinki University of Technology, Department of Electrical Communications Engineering Circuits Laboratory in Elsevier Science SA 1998, 0924-42447 / 98. The invention uses these findings.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Druckmessung an zugeben, um einem Beschleunigungsaufnehmer weitere Einsatzbereiche zu erschließen.The The object underlying the invention is an arrangement and to provide a method of pressure measurement to an accelerometer to open up further fields of application.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Anordnung zur Druckmessung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Druckmessung gemäß Anspruch 9 gelöst.These Task is carried out according to the invention an arrangement for pressure measurement according to claim 1 and a Method for pressure measurement according to claim 9 solved.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 und 10.further developments The invention will become apparent from dependent claims 2 to 8 and 10.
Vorteilhaft lässt sich gemäß der Erfindung ein Beschleunigungsaufnehmer in einer Druckmessanordnung einsetzen, wobei dort vorhandene Kondensatorstrukturen unter Umgebungsdruck definiert gegeneinander bewegt werden. Aus der Dämpfung der definierten Bewegung wird durch Ermittlung einer dynamischen Veränderung der Kapazität ein Maß für den Umgebungsdruck bestimmt. Vorteilhaft wird damit ein Beschleunigungssensor als Drucksensor betrieben.Advantageous let yourself according to the invention Use accelerometers in a pressure measuring arrangement, where there existing capacitor structures under ambient pressure defined to be moved against each other. From the damping of the defined movement becomes a measure of the ambient pressure by determining a dynamic change in capacity certainly. Thus, an acceleration sensor as a pressure sensor becomes advantageous operated.
Bei einer Weiterbildung der Anordnung werden mindestens zwei ineinander greifende Kammstrukturen als Kondensatorelemente verwendet, weil damit vorteilhaft Beschleunigungssensoren verwendbar sind, die über ein Kapazitätsauswerteprinzip auswertbar sind.at a development of the arrangement will be at least two in one another cross-comb structures used as capacitor elements because so Advantageously, acceleration sensors can be used which have a Kapazitätsauswerteprinzip are evaluable.
Vorteilhaft werden bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung als Halbleitermaterialien zum Aufbau des Sensors gängige Halbleitermaterialien wie Silizium, Germanium, Indium oder Galliumarsenid eingesetzt, weil Fertigungsprozesse für derartige Halbleiterstrukturen breit etabliert sind und diese kostengünstig anwendbar sind.Advantageous be in a development of the sensor arrangement according to the invention as semiconductor materials for the construction of the sensor common semiconductor materials such as silicon, germanium, indium or gallium arsenide, because manufacturing processes for Such semiconductor structures are widely established and this inexpensive applicable are.
Vorteilhaft weist bei einer Weiterbildung das Sensorelement zur Kopplung mit dem Umgebungsdruck eine flexibel ausgestaltete Siliziummembran auf, sodass der Innendruck im Sensor dem Außendruck entspricht, weil auf diese Weise eine Ankopplung an den Umgebungsdruck ermöglicht wird, ohne dass verschmutzende Partikel in die empfindlichen Kammstrukturen eintreten können. Ebenso wird Feuchtigkeit vom Inneren des Sensors abgehalten, wobdurch die Dielektrizitätskonstante im Inneren konstant bleibt, so dass Verfälschungen der Messergebnisse verhindert werden.Advantageously, in a development that Sensor element for coupling with the ambient pressure on a flexibly configured silicon membrane, so that the internal pressure in the sensor corresponds to the external pressure, because in this way a coupling to the ambient pressure is made possible without polluting particles can enter the sensitive comb structures. Also, moisture is kept away from the inside of the sensor, whereby the dielectric constant remains constant inside, so that falsification of the measurement results is prevented.
Eine derartige Membran kann beim Aufbau der mikromechanischen Strukturen des Sensors einfach mit eingebracht werden und bedingt so keinen zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung des Sensors.A Such membrane can be used in the construction of micromechanical structures The sensor can be easily incorporated with and therefore requires no additional Effort in the production of the sensor.
Weiterhin vorteilhaft kann bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung die Ankopplung an den Umgebungsdruck über poröses Siliziummaterial oder Halbleitermaterial geschehen, wobei die Porengröße derartig bemessen ist, dass lediglich eine Ankopplung an den Gasdruck ermöglicht wird, ohne dass Feuchtigkeit oder Schmutzpartikel eintreten können.Farther Advantageously, in a further development of the sensor arrangement according to the invention the connection to the ambient pressure via porous silicon material or semiconductor material happen, with the pore size such is dimensioned that only a coupling to the gas pressure is made possible, without moisture or dirt particles can enter.
Vorteilhaft sind bei einer Weiterbildung der Anordnung die zweiten Mittel zur Erzeugung einer Krafteinwirkung auf ein Kondensatorelement als Mittel zur Erzeugung eines Potenzialunterschiedes zwischen den Kondensatorelementen ausgeführt, da auf diese Art und Weise von außen durch Anlegung eines Potenzials eine Kraft auf das bewegliche Sensorelement im Inneren ausgeübt werden kann und dieses definiert bewegt werden kann, ohne dass zusätzliche konstruktive Maßnahmen im Bereich des Sensors für die Einbringung einer äußeren Kraft erforderlich wären.Advantageous are in a development of the arrangement, the second means for Generation of a force on a capacitor element as a means for generating a potential difference between the capacitor elements executed because in this way from the outside by applying a potential a force is exerted on the movable sensor element in the interior can be moved and defined this without any additional constructive measures in the area of the sensor for the introduction of an external force would be required.
Besonders vorteilhaft wird bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ein mechanischer Anschlag im Inneren des Sensors angebracht, der die Bewegung des beweglichen Kondensatorelementes so begrenzt, dass insbesondere für die Druckmessung begrenzte Wegstrecken vorgebbar sind, die definiert durchlaufen werden. Auf diese Weise sind genau nachvollziehbare Bewegungsabläufe im Inneren des Sensorelementes darstellbar.Especially is advantageous in a development of the inventive arrangement a mechanical stop mounted inside the sensor, the the movement of the movable capacitor element is limited so that especially for the Pressure measurement limited distances are specified, which defines to go through. In this way are exactly traceable movements can be displayed inside the sensor element.
Besonders vorteilhaft ist bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung im Bereich des Beschleunigungssensors ebenso ein Temperatursensor vorgesehen, der über Temperaturkompensation der Viskosität das Messergebnis verbessert.Especially is advantageous in a development of the sensor arrangement according to the invention in the area of the acceleration sensor also a temperature sensor provided, over Temperature compensation of viscosity improves the measurement result.
Vorteilhaft sind bei einer Weiterbildung der Anordnung Mittel zum Ausschalten der Druckmessung vorhanden, weil auf diese Art und Weise ein kombinierter Druckmess- und Beschleunigungsmesssensor kostengünstig und einfach darstellbar ist.Advantageous are in a development of the arrangement means for switching off the pressure measurement exists because in this way a combined Pressure measuring and accelerometer sensor is inexpensive and easy to display.
Vorteilhaft setzt die Erfindung einen Beschleunigungsmesssensor zur Druckmessung ein, weil damit ein spezieller Sensor entfallen kann.Advantageous the invention sets an acceleration measuring sensor for pressure measurement because it eliminates the need for a special sensor.
Vorteilhaft kann ein derartiger Beschleunigungsmesssensor zur Höhenmessung eingesetzt werden, zum Beispiel bei Fahrradtachometern, Höhenmessanwendungen beim Bergsteigen oder im Bereich der Mobiltelefonie.Advantageous Such an acceleration measuring sensor can be used for altitude measurement used, for example, in bicycle tachometers, altitude measurement applications when climbing or in the field of mobile telephony.
Vorteilhaft kann bei einer Weiterbildung des Verfahrens die Anordnung im Zeitmultiplexverfahren betrieben werden, um einen Parallelbetrieb eines Beschleunigungssensors als Druckmesssensor zu ermöglichen, ohne dass ein separater Druckmesssensor erforderlich ist.Advantageous In a further development of the method, the arrangement can be operated in time-division multiplexing be a parallel operation of an acceleration sensor as To allow pressure measuring sensor without requiring a separate pressure measuring sensor.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen weiter erläutert.in the The invention will be described below with reference to figures and exemplary embodiments further explained.
Wirkt
nun eine in x-Richtung gerichtete Beschleunigung auf den Sensor
Weiterhin
sind Anschläge
Eine
definierte Druckmessung kann beispielsweise so erfolgen, dass die
seismische Masse
Dem
Fachmann auf diesem Gebiet ist dabei klar, dass die Bewegung durch
Einzelanlegung der Potenziale an die ersten Kontaktpunkte
Die Dämpfung der Bewegung vom linken Anschlag zum rechten Anschlag oder umgekehrt ist vom Druck im Inneren des Sensors abhängig. Die zeitabhängige Messung dieser Dämpfung kann beispielsweise über eine Differenz der beiden Teilkapazitäten bestimmt werden. So kann der Druck genau ermittelt werden.The damping the movement from the left stop to the right stop or vice versa is dependent on the pressure inside the sensor. The time-dependent measurement this damping can, for example, over a difference between the two partial capacities can be determined. So can the pressure can be accurately determined.
Vorteilhaft kann im Vorfeld der Sensor geeicht werden, indem in einer Messkammer ein bestimmter Druck bei vorgegebener Temperatur eingestellt wird und mehrere Messläufe durchgeführt werden, wobei der spätere Messvorgang zum Einsatz kommt und dann der bekannte Druck als Maß für diesen Druck eingestellt wird.Advantageous can be calibrated in advance of the sensor by placing in a measuring chamber a certain pressure at a given temperature is set and several measuring runs carried out be, with the later Measuring process is used and then the known pressure as a measure of this Pressure is set.
Es
ist auch denkbar, dass eine elektrostatische Kraft nicht über die
Elektroden
Die
Funktionsweise des Beschleunigungssensors
Bei
der mittleren freien Weglänge
von λ0 = 64 nm für Luft bei p0 =
0,1 MPa und einem typischen Abstand von d = 2 μm zwischen den Elektrodenfingern ergibt
sich die in
Eine
Temperaturabhängigkeit
der Viskosität kann über einen
Temperatursensor
Im
Unterschied zu den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen findet eine
Bewegung der seismischen Masse hier in einer Detektionsrichtung
In
Draufsicht sind die Elektroden
Die
beweglichen zweiten Elektroden
Die
zweiten Elektroden
Die
Auswertung der elektrischen Verhältnisse
in der mikromechanischen Struktur erfolgt mit der Steuer-/Messvorrichtung
Hierbei ist Uref eine Referenzspannung der Auswerteschaltung. Diese Auswertung hat zur Folge, dass das Ausgangssignal in Bezug auf die Auslenkung der beweglichen Struktur linearisiert wird.Here, U ref is a reference voltage of the evaluation circuit. As a result of this evaluation, the output signal is linearized in relation to the deflection of the movable structure.
Damit
sich die Elektroden nicht berühren
und einen Kurzschluss verursachen, befinden sich Anschläge
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Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200610020521 DE102006020521A1 (en) | 2006-05-03 | 2006-05-03 | Air pressure measurement arrangement for use in motor vehicle`s tire, has electronic controlling/measuring device determining movement absorption along predetermined distance, where absorption indicates measure for ambient pressure |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102006020521A1 true DE102006020521A1 (en) | 2007-11-08 |
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DE200610020521 Withdrawn DE102006020521A1 (en) | 2006-05-03 | 2006-05-03 | Air pressure measurement arrangement for use in motor vehicle`s tire, has electronic controlling/measuring device determining movement absorption along predetermined distance, where absorption indicates measure for ambient pressure |
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DE (1) | DE102006020521A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014207710A1 (en) * | 2013-06-28 | 2014-12-31 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Capacitive micromechanical sensor structure and micromechanical accelerometer |
-
2006
- 2006-05-03 DE DE200610020521 patent/DE102006020521A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2014207710A1 (en) * | 2013-06-28 | 2014-12-31 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Capacitive micromechanical sensor structure and micromechanical accelerometer |
US9547020B2 (en) | 2013-06-28 | 2017-01-17 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Capacitive micromechanical sensor structure and micromechanical accelerometer |
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