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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Beschleunigungssensor, mit einer elektrisch
auf einen vorgebbaren Wert begrenzten Messbandbreite des Sensor-Gesamtsystems,
und mit einem mikromechanischen Sensorelement mit einer asymmetrisch
aufgehängten
Schwungmasse in Form einer Wippe, die über Torsionsfedern und eine
Verankerungseinrichtung mit einem Substrat verbunden ist, so dass
die Schwungmasse durch senkrecht zum Substrat wirkende Beschleunigungen
elastisch aus ihrer Ruhelage auslenkbar ist.
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Beschleunigungssensoren
werden in Fahrzeugen als Crashsensoren zur Erkennung von Seitenaufprallen,
Frontcrashs oder auch zur Crashschwere-Erkennung im Frontbereich
bereits seit Jahren eingesetzt. Seit etwa einem Jahrzehnt sind beschleunigungsempfindliche
oberflächenmikromechanisch
hergestellte Sensoren mit Sensierachse in x-Richtung, also parallel
zur Chipebene, auf dem Markt, die eine interdigitale Struktur aufweisen,
deren Komponenten sich unter Einwirkung einer Beschleunigung relativ
zueinander, quer zur Chipebene, bewegen. Seit neuerem werden zunehmend
auch so genannte "z-Sensoren" eingesetzt, die
keine interdigitale Struktur, sondern eine mikromechanisch freigelegte,
bewegliche Wippenstruktur aus Polysilizium aufweisen, die eine elastische
Vertikalempfindlichkeit des Sensors, also eine senkrecht zur Chipebene
stehende Detektionsrichtung auf Beschleunigung, ermöglicht.
Um aus der Auslenkung der Wippe ein elektrisches Signal zu gewinnen,
umfasst das Sensorelement des Beschleunigungssensors üblicherweise
eine Differentialkondensatoranordnung, beste hend aus Elektroden,
die auf dem Torsionskörper, also
der Wippe, angebracht sind, und aus feststehenden Gegenelektroden
auf dem Substrat.
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Z-Sensoren
mit Wippenstruktur setzten eine asymmetrisch an der Torsionsachse
aufgehängte Schwungmasse
voraus, damit die Beschleunigung, entsprechend dem auf einer Seite
der Wippe größeren Gesamtmoment
(d. h. Masse mal Momentarm) um die Torsionsachse, asymmetrisch angreifen
und die Wippe aus der Ruhelage auslenken kann. Da aus Prozessgründen eine
lokale, einseitige Verdickung der Wippenstruktur kaum zu realisieren
ist, wird die asymmetrische Aufhängung
heute allgemein so realisiert, dass ein Hebelarm der Wippe länger (und
damit auch schwerer) als der gegenüberliegende Hebelarm ausgeführt wird.
Ein derartiger z-Sensor mit asymmetrischer Wippe ist zum Beispiel
aus der
DE 100 00
368 A1 bekannt.
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Derartige
Beschleunigungssensoren umfassen außer dem z-empfindlichen mikromechanischen Sensorelement
typischerweise auch eine kundenspezifische integrierte Schaltung
(ASIC), die zusammen mit dem Sensorelement in einen Standard-Chipgehäuse angeordnet
ist. Dieses Modul bzw. Sensor-Gesamtsystem ist in seinen Eigenschaften
einerseits durch das mechanische Feder-Masse-Dämpfer-System des Sensorelements
und andererseits durch die elektronische Signalverarbeitung im ASIC bestimmt.
Die Signalauswerteschaltung umfasst insbesondere ein zur Ausfilterung
von im Ausgangssignal des Sensorelements enthaltenen Störsignalen vorgesehenes
bandbegrenzendes elektrisches Filter mit niedriger Bandbreite, so
dass die Messbandbreite des Sensor-Gesamtsystems z. B. bei 50 Hz
oder bei 400 Hz liegt.
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Die
derzeitigen Sensorenelemente haben Resonanzfrequenzen, die die Bandbreite
des Gesamtsystems um ein vielfaches (>10) übertreffen.
Die Sensorelemente sind damit sehr breitbandig ausgelegt. Beispielsweise
lehrt die
DE 694 11
449 T2 in den beiden Platten (Hebelarmen) der Wippe eine
Vielzahl von Lö chern
vorzusehen, um die Gesamtmasse der Wippe zu verringern, wodurch
die Resonanzfrequenz der Wippe erhöht und die mechanische Bandbreite des
Sensorelements entsprechend erweitert wird.
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Eine
wesentliche Anforderung an Beschleunigungssensoren betrifft deren Überlastfestigkeit. Diese
wird derzeit weitestgehend dadurch erreicht, dass ein unempfindlches
Sensorelement – unter
Inkaufnahme eines relativ ungünstigen
Signal-Rauschverhältnisses – elektrisch
hochverstärkt
wird. So wird beispielsweise ein für 400 g ausgelegtes Sensorelement
auf einen Messbereich von 100 g verstärkt oder ein 35 g Sensorelement
auf 4,8 g Messbereich. Die Entstehung von Überlastproblemen hängt damit
zusammen, dass die sehr breitbandigen Sensorelemente über einen
sehr weiten Frequenzbereich (Messbereich) hinweg sensitiv für Beschleunigungen sein
müssen,
um das Beschleunigungssignal unverfälscht zu übertragen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vermeidet Überlastprobleme
dadurch, dass die Frequenz-Übertragungsfunktion
des Sensorelements durch die Wahl des Wertes mindestens eines mechanischen
Parameters des Sensorelements so modifiziert ist, dass das Sensorelement
eine verringerte mechanische Bandbreite aufweist, die annähernd der
Messbandbreite des Sensor-Gesamtsystems entspricht.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Überlastprobleme
des Sensors darauf beruhen, dass das bisherige, steif (d. h. eine
hohe Torsionsfedersteifigkeit aufweisende) ausgelegte Sensorelement
sensitiv für
Beschleunigungen (also Frequenzen im Spektrum des Crashsignals)
ist, die ausserhalb der durch ein elektrisches Filter vorgegebenen
Messbandbreite des Gesamtsystems sind. Erfindungsgemäß wird über die
Frequenz-Übertragungsfunktion
des Sensorelements dessen mechanische Bandbreite an die Messbandbreite
des Sensor- Gesamtsystems
angepasst. Damit wird eine Überlastsicherheit
erzeugt, die vor allem bei Frequenzen über der Bandbreite des Sensor-Gesamtsystems
weit über
der Überlastsicherheit
von bisherigen Sensoren liegt. Da der Beschleunigungssensor die über der
Messbandbreite liegenden Frequenzen erfindungsgemäß verarbeiten
kann, brauchen diese nicht durch ein dem Sensor vorgelagertes mechanisches
Filter unschädlich
gemacht werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Anpassung
der Bandbreite des Sensorelements an die Bandbreite des Gesamtsystems
(Sensors) eröffnet
sich einerseits die Möglichkeit
einer größeren Überlastfestigkeit
und andererseits auch die Möglichkeit,
den Messbereich des Sensorelements an den Messbereich des Gesamtsystems
anzupassen, um damit das Signal-Rauschverhältnis des Beschleunigungssensors
zu verbessern.
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Besonders
in fertigungstechnischer Hinsicht ist es gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung vorteilhaft, die Frequenz-Übertragungsfunktion
mittels einer durch Wahl einer verringerten Torsionsfedersteifigkeit
implementierten Erniedrigung der Resonanzfrequenz zu modifizieren,
da dann die Gesamtmasse bzw. die Ausdehnung der mikromechanischen
Wippe im wesentlichen unverändert
bleiben kann. Andererseits ist die Torsionsfedersteifigkeit durch
Justieren der Dicke/Länge
der Torsionsfedern mit relativ geringem Aufwand änderbar.
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Diese
Ausführungsform
kann noch in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet
werden, dass der Wert der Asymmetrie der Gesamtmomente der beiden
Hebelarme der Schwungmasse so gering gewählt ist, dass die Empfindlichkeit
des Sensorelements trotz verringerter Torsionsfedersteifigkeit annähernd (bis
auf ca.± 10%)
gleich bleibt. Hierbei liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei
einem z-Sensor, im Gegensatz zu einem xy-Sensor, eine Erniedrigung
der Resonanzfrequenz bzw. Bandbreite nicht notwendig zu einer – im gegenwärtigen Kontext nicht
wünschenswerten – Erhöhung der
Empfindlichkeit des Sensors führen
muss.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische Draufsicht auf eine Wippenstruktur mit leicht
unterschiedlich langen Hebelarmen für ein Sensorelement eines erfindungsgemäßen Sensors,
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2 zeigt
ein Diagramm, in dem die frequenzabhängige Aufteilung des Messbereichs
eines Sensors dargestellt ist,
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3 stellt
die frequenzabhängige
Anschlagbeschleunigung des Sensorelements dar.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt
eine mikromechanisch freigelegte, bewegliche Wippe eines in einem
erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor
eingesetzten Sensorelements, die aus Polysilizium besteht und einen kürzeren Hebelarm,
also eine kleinere Masse 5, und einen längeren Hebelarm, also eine
größere Masse 6,
aufweist. Die Wippenstruktur mit der Torsionsachse 7 ist über zwei
Torsionsfedern 1 an einer Verankerungseinrichtung 4 aufgehängt, die
selbst wiederum auf dem Substrat (nicht dargestellt) verankert ist.
In 1 sind die parallel zum Substrat verlaufenden x-y-Koordinatenachsen
sowie die senkrecht dazu verlaufende z-Richtung durch Pfeile definiert.
Angedeutet sind ferner Elektroden 2 und 3 einer
Differentialkondensatoreinrichtung.
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Durch
den Einsatz der in Bild 1 gezeigten asymmetrischen Wippe des z-Sensorelements
sind die Resonanzfrequenz und die Empfindlichkeit – anders
als bei xy-Elementen – unabhängig voneinander wählbar. Die
Torsionsfedern 1 hängen
das seismische Element (Schwungmasse) mit den ungleichen Massen 5 und 6 an
der Einpannung 4 auf. Die Empfindlichkeit α/a (also
Auslenkung/Beschleunigung) des Sensors hängt von der Torsionsfederkonstante
c und von der Asymmetrie δm
der Massen 5 und 6 im Radius r von der Einspannung
ab α/a
~ δm·r/cdie
Resonanzfrequenz f0 allerdings nur von dem
Gesamtträgheitsmoment
I der Gesamtmasse und der Torsionsfederkonstante c: f0 = (c/I)1/2
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Durch
eine weichere Torsionsfeder 1 (kleinere c) lässt sich
also ohne wesentlichen Eingriff in das bestehende Sensorelement
eine kleinere Resonanzfrequenz und damit eine engere mechanische
Bandbreite erzeugen. Die Überlastfestigkeit
kommt beim erfindungsgemäßen Sensor
demnach so zu Stande, dass die Übertragungsfunktion
eines z-Sensors mit Wippe, durch Wahl der Asymmetrie der Massen
und der Torsionsfedersteifigkeit, so gewählt werden kann, dass sie der
gewünschten
Bandbreite des Sensor-Gesamtsystems entspricht. Das Sensorelement ist
dann sensitiv nur in der gewählten
Bandbreite, darüber
sinkt seine Empfindlichkeit mit 40 dB/Dekade – dementsprechend steigt die
Anschlagbeschleunigung, vgl. 3, mit 40
dB/Dekade. Sensoren aus dem Stand der Technik basieren demgegenüber auf steifen,
stark überdämpften Systemen,
die ab der Grenzfrequenz (d. h. Abfall um 3 dB/Dekade) maximal einen
Empfindlichkeitsabfall von 20 dB/Dekade ermöglichen.
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Bild
2 zeigt den notwendigen Messbereich eines Beschleunigungssensors,
der notwendig ist, bei einer bestimmten Bandbreite (auf der x-Achse aufgetragen)
das Beschleunigungssignal unverfälscht
zu übertragen.
Die Beschleunigungsdaten stammen aus Rollover-Sensierungs-Datensätzen. Man
erkennt, dass bei einer Filterbandbreite von 50 Hz (das ist die
Bandbreite des Sensor-Gesamtsystems) der minimale Messbereich des
Sensor-Gesamtsystems bei 4 g liegt. Wenn das Sensorelement erfindungsgemäß dieselbe
Bandbreite hat, so liegt die Überlastgrenze
des Sensorelements ebenfalls bei 4 g. Betrachtet man in der 2 zum
Vergleich ein herkömmliches
Sensorelement mit 2 kHz Bandbreite, so würde der notwendig zu verarbeitende
Bereich vor dem elektischen Filter bei 47 g liegen. Dieser Faktor
11,8 kann durch Anpassung an den Messbereich des Sensor-Gesamtsystems
an Verstärkung im
ASIC einspart werden. Damit kann dementsprechend auch das Rauschen
des ASIC um den Faktor 11, 8 reduziert werden.
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Bild
3 zeigt anhand beispielhafter Kurvenverläufe, dass durch geeignete Wahl
der Resonanzfrequenz und Dämpfung
ein 200 g Sensorelement mit 500 Hz Bandbreite erzeugt werden kann,
das in Überlastperformance
dem 200 g Element mit 8 kHz Resonanzfrequenz und viel höherer Dämpfung (d
= 1, 3 oder 10, vgl. die drei unteren Kurven in 3) weit
vorraus ist, da die Anschlagsbeschleunigung viel stärker als
bei den 8 kHz-Systemen
ansteigt. Die Anschlagbeschleunigung, bei der das durch die Beschleunigung
ausgelenkte Sensorelement am Substrat mechanisch anschlägt, ist
im wesentlichen eine zur Übertragungsfunktion
inverse Größe.
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Die
Erfindung ist im Übrigen
nicht auf Ausführungen
beschränkt,
bei denen die Wippenstruktur, wie in der 1 dargestellt,
an einer 'äußeren' Verankerung 4 aufgehängt ist.
Ebenso in Frage kommen Ausführungen
von z-Sensoren, bei denen die Wippenstruktur an einer innerhalb
der Schwungmasse liegenden Verankerung aufgehängt ist.