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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Sensorelement. Die Erfindung betrifft weiterhin eine mikromechanische Sensoreinrichtung mit einem mikromechanischen Sensorelement.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind Sensormodule mit zwei Beschleunigungskanälen ay, az und einem Drehratenkanal Ωx in einem Gehäuse mit einer gemeinsam genutzten SPI-Schnittstelle (engl. Serial Peripheral Interface) zum Erkennen von Überrollvorgängen von Kraftfahrzeugen bekannt. Die Beschleunigungskanäle sind dabei für relativ geringe Beschleunigungen ausgelegt, deren Daten mittels sogenannter „low-g“-Beschleunigungssensoren bereitgestellt werden. Die genannten Sensoreinrichtungen zur Erkennung von Überrollvorgängen werden derart in ein Airbag-Steuergerät des Kraftfahrzeugs eingebaut, dass ein Beschleunigungssensor die Beschleunigung ay quer zur Fahrtrichtung, ein Beschleunigungssensor die Beschleunigung az senkrecht zur Fahrebene und der Drehratensensor die Drehung um die Fahrzeuglängsachse Ωx ermittelt.
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Ferner sind zweikanalige Beschleunigungssensoren für die Airbag-Sensorik von Kraftfahrzeugen bekannt. Diese Sensoren sind für hohe Beschleunigungen ausgelegt und sind als sogenannte „high-g“-Beschleunigungssensoren ausgebildet. Airbag-Beschleunigungssensoren werden üblicherweise derart in das Airbag-Steuergerät eingebaut, dass ein Kanal parallel zur Fahrtrichtung misst und ein Kanal senkrecht dazu. Neuerdings werden die Beschleunigungssensoren um ungefähr 45 Grad verdreht eingebaut, damit bei einem Frontal- bzw. bei einem Seitenaufprall des Kraftfahrzeugs beide lateralen Sensorkanäle ansprechen und dadurch das Sensorsignal aufgrund einer Vektorzerlegung plausibilisiert werden kann. Nachteilig bei einer derartigen Ausrichtung des Airbag-Beschleunigungssensors ist, dass der Drehratensensor, der immer eine Drehung um eine Fahrzeuglängsachse messen soll, seine Aufgabe nicht mehr erfüllen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein mikromechanisches Sensorelement mit erweitertem Anwendungsbereich bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem mikromechanischen Sensorelement zum Erfassen von Lateralbeschleunigung, welches wenigstens zwei im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnete Begrenzungen und wenigstens ein Federelement aufweist. Das Sensorelement ist dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement relativ zu wenigstens einer der Begrenzungen schräg ausgerichtet ist.
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Auf diese Art und Weise kann das erfindungsgemäße Sensorelement in einer häufig verwendeten x/y bzw. 0 Grad/90 Grad Ausrichtung in eine Sensoreinrichtung integriert werden, die ihrerseits wieder in der genannten Ausrichtung in einem Kraftfahrzeug verwendet wird. Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Sensorelement sehr komfortabel zur Bereitstellung von Beschleunigungssignalen für einen so genannten ROSE-Sensor (engl. roll-over-sensor, Sensor zur Erkennung von Überrollvorgängen des Kraftfahrzeugs) sowie für Airbag-Sensorik eingesetzt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Sensorelements ist dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement relativ zu der wenigstens einen Begrenzung eine Ausrichtung von ungefähr 45 Grad aufweist. Auf diese Weise ist es vorteilhaft möglich, bei einem Aufprallvorgang eines Kraftfahrzeugs mittels eines zweiten Sensorelements eine besonders einfache Plausibilisierung von lateralen Längs- und Querbeschleunigungswerten zu erreichen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Sensorelements ist dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungen des Sensorelements im Wesentlichen ein Quadrat bilden. Mit dieser Formgebung ist eine ressourcenschonende Ausgestaltung des Sensorelements unterstützt, die beispielsweise eine effiziente Ausnutzung von vorhandener Siliziumfläche unterstützt.
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Eine erfindungsgemäße mikromechanische Sensoreinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie wenigstens zwei mikromechanische Sensorelemente aufweist, wobei die Sensoreinrichtung weiterhin ein mikromechanisches Z-Beschleunigungs-Sensorelement aufweist. Dadurch wird vorteilhaft eine vielseitig verwendbare Sensoreinrichtung bereitgestellt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Sensoreinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Sensorelemente zum Erfassen von Lateralbeschleunigung um ungefähr 90 Grad zueinander verdreht angeordnet sind. Auf diese Weise kann auf besonders einfache Weise eine Plausibilisierung von lateralen Beschleunigungswerten durchgeführt werden. Dadurch kann einfach und kostengünstig eine Redundanz von lateralen Beschleunigungssignalen und damit ein erforderlicher Sicherheitsstandard für die Sensoreinrichtung bereitgestellt werden.
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Eine Weiterbildung der mikromechanischen Sensoreinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung wenigstens zwei orthogonal zueinander angeordnete Begrenzungen aufweist, wobei wenigstens eine der Begrenzungen im Wesentlichen parallel zu wenigstens einer der Begrenzungen wenigstens eines der Sensorelemente zum Erfassen von Lateralbeschleunigung angeordnet ist. Mit diesen konstruktiven Maßnahmen wird eine flächensparende Anordnung des erfindungsgemäßen Sensorelements in der Sensoreinrichtung unterstützt, wodurch mittels eines einzigen Sensormoduls eine maximale Funktionalität erzielbar ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungsgemäßen Prinzipien zu verdeutlichen, wobei ihnen keinerlei Größenverhältnisse oder geometrische Abmessungen entnommen werden können. Auf Funktionsprinzipien von mikromechanischen Beschleunigungssensoren wird, da diese bekannt sind, im Folgenden nicht näher eingegangen.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorelements;
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2 eine mikromechanische Sensoreinrichtung mit mehreren mikromechanischen Sensorelementen;
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3 ein mikromechanisches Sensorsystem mit einer Sensoreinrichtung und einem Drehratensensor;
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4 ein Beispiel von Signalpfaden für Daten von mikromechanischen Sensoren; und
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5 eine weiteres Beispiel von Signalpfaden für Daten von mikromechanischen Sensoren.
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1 zeigt eine prinzipielle Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorelements 10. Das Sensorelement 10 weist einen ersten Rahmen 8 aus Silizium und einen beweglichen zweiten Rahmen 6 aus Silizium auf. Der erste Rahmen 8 definiert im Wesentlichen die Fläche, die benötigt wird, um eine im Wesentlichen hermetische Verkapselung für das Sensorelement 10 bereitzustellen. Das Sensorelement 10 weist beispielsweise eine quadratische Umfangsform mit vier orthogonal zueinander angeordneten Begrenzungen 7 auf. Ein erstes Federelement 1 aus Silizium und ein zweites Federelement 2 aus Silizium sind in einer x-y Ebene beweglich bzw. auslenkbar und wirken mit einer ersten Gegenelektrode 3 und einer zweiten Gegenelektrode 4 derart zusammen, dass geometrische Auslenkungen der Federelemente 1, 2 aufgrund von Krafteinwirkung mittels mikromechanischer Prinzipien erfasst werden können. Mittels einer Verankerung 5 sind die Federelemente 1, 2 am zweiten Rahmen 6 verankert. Die beiden exemplarisch dargestellten Gegenelektroden 3, 4 sind als nichtbewegliche Elektroden konzipiert und weisen zu diesem Zweck eine Verankerung nach unten zum Substrat und jeweils einen elektrischen Kontakt auf.
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Vorzugsweise beträgt eine geometrische Ausrichtung der Federelemente 1, 2 bezogen auf jede der Begrenzungen 7 des Sensorelements 10 ungefähr 45 Grad, wobei selbstverständlich jeder mögliche Winkel zwischen den Federelementen 1, 2 und der Begrenzung 7 denkbar ist. Aufgrund der Schräganordnung der Federelemente 1, 2 können bei der dargestellten Ausrichtung des Sensorelements 10 auf ein Kraftfahrzeug wirkende Lateralbeschleunigungen sowohl in x-Richtung (Fahrtrichtung) als auch in y-Richtung (quer zur Fahrtrichtung) mittels Vektorzerlegung ermittelt werden.
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2 zeigt eine prinzipielle Draufsicht auf einen dreikanalige mikromechanischen Sensoreinrichtung 30 mit zwei Kanälen zur Erfassung von Lateralbeschleunigungen sowie einem Kanal zur Erfassung von Beschleunigung in z-Richtung. Die Sensoreinrichtung 30 weist wenigstens zwei mikromechanische Sensorelemente 10 auf, die ungefähr um 90 Grad zueinander verdreht auf der Sensoreinrichtung 30 angeordnet sind. Ferner weist die Sensoreinrichtung 30 ein mikromechanisches Z-Beschleunigungs-Sensorelement 20 auf, welches aufgrund seines wippenartigen Aufbaus eine Beschleunigung in z-Richtung (senkrecht zur Fahrebene des Kraftfahrzeugs) ermittelt. Mit der gezeigten Anordnung der beiden Sensorelemente 10 ist auf einfache Weise eine Plausibilisierung von Signalen der lateralen Beschleunigungskanäle möglich, wodurch auch eine hohe Funktionsvielfalt der Sensoreinrichtung 30 unterstützt ist. Dadurch ist es möglich, die Sensoreinrichtung 30 in der dargestellten x/y-Ausrichtung innerhalb des Kraftfahrzeugs anzuordnen, wobei die Sensoreinrichtung 30 mittels des Z-Beschleunigungs-Sensorelements 20 auch zur Bereitstellung von Signalen für einen ROSE-Sensor verwendet werden kann.
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Das Bezugszeichen 32 bezeichnet eine elektrische Anschlussstelle der Sensoreinrichtung 30 zu einer integrierten elektronischen Auswerteeinrichtung 50 (nicht dargestellt in 2), beispielsweise für den elektrischen Anschluss eines Bond- oder Lötdrahts. Die Sensoreinrichtung 30 ist im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet, wobei innerhalb der Sensoreinrichtung 30 Begrenzungen 7 der Sensorelemente 10 im Wesentlichen entsprechend zu den Begrenzungen 31 der Sensoreinrichtung 30 ausgerichtet sind. Vorteilhaft entfällt dadurch die Notwendigkeit einer Verdrehung der gesamten Sensoreinrichtung 30 und es wird die Kombination der Sensoreinrichtung 30 mit einem ROSE-Sensor erleichtert, welcher in der Regel innerhalb des Kraftfahrzeugs eine derartige x/y-Ausrichtung erfordert.
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3 zeigt eine prinzipielle Draufsicht auf ein Sensorsystem 100 mit einer Sensoreinrichtung 30 und einer Drehratensensoreinrichtung 40. Die Drehratensensoreinrichtung 40 ist dazu vorgesehen, eine Drehrate des Kraftfahrzeugs zu erfassen und daraus in Kombination mit einem Signal des Z-Beschleunigungs-Sensorelements 20 einen etwaigen Überrollvorgang entlang einer Längsachse des Kraftfahrzeugs zu sensieren. Mittels einer im Sensorsystem 100 angeordneten gemeinsamen elektronischen Auswerteeinrichtung 50 (z.B. ein integrierter Auswerte-IC) werden Signale der Sensoreinrichtung 30 und der Drehratensensoreinrichtung 40 ausgewertet bzw. weiterverarbeitet.
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Man erkennt, dass auf dem Sensorsystem 100 auf ressourcenschonende Weise ein dreikanaliger Beschleunigungssensor mit zwei erfindungsgemäßen Sensorelementen 10 und einem Drehratensensor miteinander kombiniert sind. Vorzugsweise wird dies durch eine platzsparende bzw. flächenoptimierte geometrische Ausrichtung der Drehratensensoreinrichtung 40 und der Sensoreinrichtung 30 innerhalb des Sensorsystems 100 realisiert. Mittels der Sensoreinrichtung 30 können vorteilhaft sowohl Beschleunigungssignale für Airbags (nicht dargestellt) als auch für den ROSE-Sensor (umfassend das Z-Beschleunigungs-Sensorelement 20 mit der Drehratensensoreinrichtung 40) erfasst werden.
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Dadurch wird vorteilhaft mittels des Sensorsystems 100 in Form einer einzelnen gehäusten integrierten Schaltung ein größtmögliches Ausmaß an Funktionalität bereitgestellt, so dass vorteilhaft eine maximierte Bereitstellung von mikromechanischer Beschleunigungssensorik für das Kraftfahrzeug möglich ist. Die Bezugsziffern 51, 52, 53, und 54 bezeichnen Anschlussstellen zur elektrischen Kontaktierung, wobei 51 eine Anschlussstelle zum elektrischen Kontaktieren von der Auswerteeinrichtung 50 zur Sensoreinrichtung 30 darstellt. Die Bezugsziffer 52 stellt eine elektrische Anschlussstelle zum elektrischen Kontaktieren zwischen der Auswerteeinrichtung 50 zum Gehäuse des Sensorsystems 100 dar. Die Bezugsziffern 41 und 53 bezeichnen Anschlussstellen zum elektrischen Kontaktieren zwischen der Auswerteeinrichtung 50 und der Drehratensensoreinrichtung 40. Die Bezugsziffer 54 bezeichnet eine Anschlussstelle zum elektrischen Kontaktieren auf das Gehäuse des Sensorsystems 100.
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4 zeigt prinzipiell Signalpfade K1 bis K6 für Daten der Sensoreinrichtung 30 und der Drehratensensoreinrichtung 40. K1 und K4 bezeichnen Signalpfade für Daten der Sensoreinrichtung 30 mit einer Bitstufung von 10 Bit mit einem A/D-Wandler, einem 16 Bit-Dezimationselement, einem Tiefpassfilter 61 (vorzugsweise ein 400Hz Tiefpassfilter) sowie einem Offsetregler bzw. -steller 62. Der Offsetregler 62 ist dazu vorgesehen, ein LSB (engl. least significant bit) der digitalen Daten permanent mit einer definierten Regelgeschwindigkeit auf Null zu regeln bzw. zu kalibrieren. K2, K3 und K5 bezeichnen Signalpfade für Daten der Sensoreinrichtung 30 und der Drehratensensoreinrichtung 40 mit einer Bitstufung von 10 Bit mit einem A/D-Wandler, einem Tiefpassfilter 61 (vorzugsweise ein 50 Hz Tiefpassfilter) und einem Offsetregler 62. K6 bezeichnet einen Signalpfad für Daten der Drehratensensoreinrichtung 40. Die Daten sämtlicher Signalpfade K1 bis K6 werden an einen Datenbus 60 ausgegeben, der vorzugsweise als eine SPI-Schnittstelle ausgebildet ist.
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5 zeigt prinzipiell, dass durch eine Erhöhung der Bitstufung bzw. der Signalbreite der digitalen Daten vorteilhaft eine Reduktion eine Anzahl von Signalpfaden erreichbar ist. K1 und K3 bezeichnen prinzipiell Signalpfade für Daten der Sensoreinrichtung 30 und der Drehratensensoreinrichtung 40 mit einer Bitstufung von 14 Bit mit einem A/D-Wandler, einem 16 Bit Dezimationsglied, einem Tiefpassfilter 61 (vorzugsweise ein 200Hz Tiefpassfilter) und einem Offsetregler 62. K2 bezeichnet prinzipiell einen Signalpfad für Daten der Sensoreinrichtung 30 und Daten der Drehratensensoreinrichtung 40 (Beschleunigungsdaten in der Fahrebene und senkrecht zur Fahrebene) mit einer Bitstufung von 10 Bit mit einem A/D-Wandler, einem Tiefpassfilter 61 (vorzugsweise ein 50 Hz Tiefpassfilter) und einem Offsetregler 62. K6 bezeichnet prinzipiell einen Signalpfad für Daten der Drehratensensoreinrichtung 40.
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Ebenso wie in der Konstellation von 4 werden die Daten sämtlicher Signalpfade K1 bis K4 an einen Datenbus 60 ausgegeben, der vorzugsweise als eine SPI-Schnittstelle ausgebildet ist. Es ist also erkennbar, dass mittels einer erhöhten Bitstufung (14 Bit gegenüber 10 Bit) der Beschleunigungsdaten die Anzahl der Signalpfade vorteilhaft von sechs auf vier reduziert werden kann.
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Zusammenfassend wird mit der Erfindung ein verbessertes Design für ein mikromechanisches Sensorelement vorgeschlagen, welches sich sehr gut zur Verwendung in einem Kombinationsmodul für eine offsetgeregelte ROSE-Detektion und für eine Ermittlung von lateralen Beschleunigungsdaten in Fahrtrichtung bzw. quer zur Fahrtrichtung eignet. Durch die spezifischen +45 Grad bzw. –45 Grad Ausrichtungen der Federelemente 1, 2 der beiden Sensorelemente 10 der Sensoreinrichtung 30 kann die Erfassung von Aufprallvorgängen statt der konventionellen Selbstplausibilisierung von Beschleunigungsdaten eines in 45 Grad zur Fahrtrichtung ausgerichteten Sensormodulgehäuses mit zwei Lateralkanälen für Beschleunigung vereinfacht durchgeführt werden.
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Ferner kann mittels der zwei erfindungsgemäßen Sensorelemente 10 in der Sensoreinrichtung 30 und des Z-Beschleunigungs-Sensorelements 20 die Anwendung mit zwei Beschleunigungslateralkanälen parallel und quer sowie senkrecht zur Fahrtrichtung in einem gemeinsamen Modulgehäuse realisiert werden. Auf diese Weise kann die Erfindung besonders vorteilhaft in einem Kombinationssensor verwendet werden, welcher in einem einzigen Gehäuse eine ROSE-Sensor-Funktionalität mit einer Airbag-Beschleunigungssensor-Funktionalität bereitstellt. Damit ist die Sensoreinrichtung 30 in vorteilhafter Weise universell einsetzbar, ohne Montageausrichtungsvorgaben in einem Airbag-Steuergerät abändern zu müssen. Vorteilhaft können mittels der Erfindung durch Volumeneffekte beträchtliche Kosteneinsparungen für KFZ-Sensorik resultieren.
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Der Fachmann wird die Merkmale der Erfindung in geeigneter Weise abändern und miteinander kombinieren können, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
