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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruches.
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Beschleunigungen in Kraftfahrzeugen, insbesondere in deren Airbag Steuergeräten, werden mit mikromechanischen Inertialsensoren gemessen. Hierbei wird das Prinzip des Differentialkondensators benutzt, bei dem eine bewegliche seismische Masse mit festen Referenzelektroden zwei Kapazitäten bildet. Wirkt eine Beschleunigung auf die Masse, so wird diese ausgelenkt und die Kapazitäten ändern sich. Die Differenz der Kapazitäten wird mittels einer elektronischen Schaltung, einem sogenannten Kapazitäts-Spannungs-Wandler (C/U Wandler), in ein im Wesentlichen zur Beschleunigung proportionalen Spannungssignal gewandelt. Die beweglichen Strukturen und die kondensatorartigen Anordnungen, welche die Kapazitäten bilden, werden gewöhnlich als mikroelektromechanische Strukturen (MEMS) realisiert.
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Ein Problem bei der Herstellung der Inertialsensoren in der Ausführung als MEMS stellt die genaue Zentrierung der seismischen Masse zwischen den festen Elektroden dar. Begründet durch Prozessunsicherheiten ergibt sich in der Regel eine Abweichung der tatsächlichen Lage der seismischen Masse von der gewünschten Mittellage. Dieser Versatz führt zu einem kapazitiven Signal, welches nicht durch eine Auslenkung der Masse infolge einer einwirkenden Beschleunigung begründet ist und das üblicherweise durch eine elektrische Schaltung kompensiert wird. Dazu wird die Abweichung beim Einschalten des Sensors elektrisch gemessen und während des Betriebs kontinuierlich vom Ausgangssignal subtrahiert.
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Im normalen Betrieb wird die seismische Masse des Inertialsensors durch Beschleunigungen zu Bewegungen mit bestimmter Amplitude und zum Teil hoher Frequenz angeregt.
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In außergewöhnlichen Betriebszuständen, z. B. wenn der Sensor starken Stößen in der vorgesehen Auslenkungsrichtung der seismischen Masse ausgesetzt wird, kann die Amplitude sehr viel größer sein. Um ein Berühren der Elektroden und damit einen elektrischen Kollaps zu verhindern, sind mechanische Anschläge vorgesehen, welche die Auslenkung der seismischen Masse begrenzen. Aufgrund des Umstandes, dass die Ruhelage oder Schwingungsmittellage der seismischen Masse von der geometrischen Mittellage zwischen den Anschlägen abweicht, kommt es zu einer asymmetrischen Begrenzung des Sensorsignals und damit zu einem fehlerhaften Signal am Sensorausgang.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit einer seismischen Masse und wenigstens einem mechanischen Anschlag. Der Sensor weist Mittel zur Detektion der Auslenkung der Schwingmasse und Umwandlung in ein elektrisches Signal auf. Es existiert wenigstens eine Betriebsart des Sensors, bei der die Auslenkung der seismischen Masse gegenüber einer Schwingungsmittellage durch den Anschlag asymmetrisch begrenzt wird.
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Der Kern der Erfindung liegt darin, dass Mittel zur Begrenzung des maximalen Wertes des elektrischen Signals vorgesehen sind, wobei die Begrenzung symmetrisch in Bezug auf den zeitlichen Mittelwert des Signals vorgesehen ist, und der maximale Wert des elektrischen Signals nicht größer als der kleinste durch den mechanischen Anschlag vorgegebene Wert ist.
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Der erfindungsgemäße Sensor hat den Vorteil, dass eine asymmetrische Begrenzung des Signals durch eine symmetrische Begrenzung ersetzt wird. Unter bestimmten Bedingungen im Betrieb, wie z. B. Einwirkung von Schotter oder Spritzwasser, stellt die Auslenkung der seismischen Masse ein periodisches Signal dar, dessen zeitlicher Mittelwert im wesentlichen konstant ist. Bei einer asymmetrischen Begrenzung der Auslenkung würde der Mittelwert verändert werden. Dieser veränderte Wert würde nach einer sich im Signalpfand anschließenden Filterung fälschlich als sehr große konstante Beschleunigung, die auf den Sensor einwirkt, interpretiert werden. Wird hingegen das Signal symmetrisch begrenzt, so bleibt der Mittelwert im Vergleich zu einem nicht anschlagbegrenzten Schwinger erhalten.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors ist, dass an dem Sensor Mittel zur Bestimmung der Abweichung der Schwingungsmittellage der seismischen Masse von der geometrischen Mitte vorgesehen sind. Grundsätzlich kann die Abweichung der Ruhelage oder Schwingungsmittellage der seismischen Masse von der geometrischen Mitte zwischen den Anschlägen bzw. den Detektionsmitteln bereits nach der Herstellung des Sensors bestimmt werden. Durch Alterung oder wechselnde Umweltbedingungen hervorgerufen, kann sich diese Abweichung jedoch ändern. Damit ändert sich auch der zeitliche Mittelwert des Signals bei hochfrequenten großen Beschleunigungen. Um den zeitlichen Mittelwertes des Signals möglichst genau zu bestimmen, wird er beim Einschalten des Sensors bestimmt. Davon ausgehend werden dann die Grenzen für die symmetrische Signalbegrenzung vorgesehen.
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Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Sensor mikromechanisch aufgebaut ist. Mikromechanische Sensoren weisen aufgrund Ihres Aufbaus und Ihrer Fertigungstechnologie infolge von Prozessunsicherheiten in erheblichem Maße die oben beschriebene eine Abweichung der tatsächlichen Ruhelage oder Mittellage der seismischen Masse, bezogen auf Ihre Auslenkungen durch äußere Kräfte, von der gewünschten, geometrischen Mittellage auf. Die beschriebene symmetrische Signalkorrektur kommt hier besonders wirksam zum tragen. Weiterhin lassen sich mikromechanische Strukturen, elektrische Sensoren und mikroelektronische Auswerteschaltungen vorteilhaft in einem gemeinsamen Bauelement integrieren.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors beinhaltet, dass die Mittel zur Detektion der Auslenkung als Elektroden ausgebildet sind, welche einen kapazitiven Messfühler, insbesondere nach dem Prinzip der Differentialkapazität, darstellen. Dies ist ein einfaches und bewährtes Messprinzip für Auslenkungen bei mikromechanischen Beschleunigungs- und Drehratensensoren. Die Messung der veränderlichen Kapazität lässt sich mittels einer daran angeschlossenen elektronischen Auswerteschaltung leicht durchführen und die gewonnenen elektrischen Messwerte lassen sich einfach weiterverarbeiten.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Mittel zur Begrenzung des maximalen Wertes des elektrischen Signals mittels einer elektronischen Auswerteschaltung dargestellt sind. Die elektrische Begrenzung der maximalen Werte des elektrischen Signals erfolgt vorteilhaft auf einfache Weise in einer elektronischen Auswerteschaltung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein weiterer Anschlag vorgesehen, der veränderlich positionierbar ausgeführt ist. Die Mittel zur Begrenzung sind dabei derart vorgesehen, dass sie wenigstens den weiteren Anschlag geeignet positionieren, sodass die Auslenkung der Schwingmasse symmetrisch begrenzt wird. Der Anschlag kann z. B. mittels eines Piezoelementes, durch Anlegen einer Spannung an dasselbe, positioniert werden.
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Vorteilhaft ist der Sensor ein Inertialsensor, insbesondere ein Beschleunigungssensor oder Drehratensensor. Derartige Sensoren werden in Fahrzeugen eingesetzt, wo sie besonders hohen Belastungen in Bezug auf Stöße und Temperaturänderungen sowie anderen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 stellt einen Inertialsensor gemäß Stand der Technik dar.
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2A stellt das Schwingungssignal eines Inertialsensor bei hochfrequenter äußerer Anregung dar.
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2B stellt das Schwingungssignal eines Inertialsensor mit asymmetrischer Signalbegrenzung dar.
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3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors mit symmetrischer elektrischer Signalbegrenzung.
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4 zeigt das Schwingungssignal eines erfindungsgemäßen Inertialsensors mit symmetrischer elektrischer Signalbegrenzung.
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5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors mit symmetrischer mechanischer Signalbegrenzung.
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6 zeigt das Schwingungssignal eines erfindungsgemäßen Inertialsensors mit symmetrischer mechanischer Signalbegrenzung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
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1 stellt einen Inertialsensor gemäß Stand der Technik dar. Eine seismische Masse 100 ist mittels eines Systems von Federn 103, 104 schwingungsfähig aufgehängt. Die durch eine äußere Kraft angeregte Auslenkung bzw. Schwingung der seismischen Masse 100 findet in einer Richtung 107 statt. Die maximal mögliche Auslenkung der Masse 100 wird in diesem Beispiel von zwei mechanischen Anschlägen 101 und 102 begrenzt. Die bewegliche Masse 100 stellt eine bewegliche Elektrode dar und bildet mit zwei festen Referenzelektroden zwei Kapazitäten 105 und 106. Die Kapazitäten 105 und 106 ändern sich in Abhängigkeit von der Auslenkung der Masse entlang der Richtung 107. Der Messfühler arbeitet nach dem Prinzip der Differentialkapazität. Die Differenz der Kapazitäten 105 und 106 wird hierbei in einem Kapazitäts-Spannungs-Wandler (C/U-Wandler) 110 in ein im wesentlichen zur Beschleunigung proportionales Spannungssignal 111 umgewandelt. Das Spannungssignal 111 wird in einem Tiefpass Filter 112, welches z. B. ein Filter mit geschalteten Kapazitäten (engl.: S/C filter – switched capacity filter) sein kann, gefiltert. Das gefilterte Spannungssignal 113 wird in einer Verstärkerstufe 114 verstärkt. Am Sensorausgang liegt ein verstärktes Spannungssignal 115 an. Aufgrund der Abweichung der Schwingungsmittellage der seismischen Masse 100 von der geometrischen Mittellage zwischen den Referenzelektroden, sowie aufgrund weiterer elektrischer Einflüsse ist das Spannungssignal 115 ohne den Einfluss einer äußeren Beschleunigung auf den Sensor nicht Null, sondern weist einen Versatz (engl. offset) auf. Dieser Versatz wird mittels der Versatzkompensationsschaltung 116 kompensiert. Dazu wird das Spannungssignal 115 der Kompensationsschaltung 116 zugeführt. Zu Beginn des Sensorbetriebes wird der Versatz bei fehlender äußerer Beschleunigung bestimmt und ein Signal 117 derart dem Verstärker 114 zugeführt, dass das Signal 115 zu Null kompensiert wird. Damit ist der Sensor für den weiteren Betrieb bezüglich des Versatzes kalibriert.
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2A stellt das Schwingungssignal eines Inertialsensor bei hochfrequenter äußerer Anregung dar. Das Schwingungssignal resultiert aus einer hochfrequenten Beschleunigung. Auf der Achse X ist die Zeit in beliebigen Einheiten aufgetragen. Auf der Achse Y ist das Spannungssignal 111 am Ausgang des C/U-Wandlers 110 aufgetragen. Die Signalkurve 203 ergibt sich bei hochfrequenter Anregung des Sensorelementes 100 mit niedriger Amplitude. Dies stellt einen ersten, ordentlichen Betriebszustand des Sensors dar. Die Funktion 203 besitzt Wendepunkte, welche eine Schwingungsmittellage 210 der seismischen Masse 100 kennzeichnen. Die Schwingungsmittellage 210 weist einen Versatz 200 zur Nulllinie 0 des Diagramms auf. Die Nulllinie 0 repräsentiert die geometrische Mittellage zwischen den Referenzelektroden. Der Versatz 200 ist also in der Abweichung der Schwingungsmittellage 210 der seismischen Masse 100 von der geometrischen Mittellage zwischen den Referenzelektroden begründet. Die Linien 201 und 202 markieren die maximal möglichen Werte der Funktion 203 bedingt durch die Begrenzung der Auslenkung der seismischen Masse 100 mittels der Anschläge 101 und 102. In einem Sensor gemäß 1 wird der Versatz 200 und zusätzliche elektrische Einflüsse aus dem Tiefpassfilter 112 und dem Verstärker 114 durch das Kompensationselement 116 kompensiert und das gefilterte Signal 115 ist gleich Null bei Abwesenheit niederfrequenter äußerer Beschleunigungen.
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2B stellt beispielhaft das Schwingungssignal eines Inertialsensor mit asymmetrischer Signalbegrenzung dar. Das Schwingungssignal ist das Resultat bei hochfrequenter äußerer Anregung mit großer Amplitude durch auf den Sensor einwirkende Beschleunigungen. Auf der Achse X ist die Zeit in beliebigen Einheiten aufgetragen. Auf der Achse Y ist das Spannungssignal 111 am Ausgang des C/Wandlers 110 aufgetragen. Die Signalkurve 204 ergibt sich bei hochfrequenter Anregung des Sensorelementes 100 mit großer Amplitude. Eine derart große Amplitude entsteht z. B. durch äußere Schockeinwirkung auf den Sensor mit Beschleunigungen von bis zu einigen 100 g. Diese Beschleunigungen treten unter anderem infolge der Einwirkung von Spritzwasser oder Steinschlag auf ein Fahrzeug, in dem der Sensor verbaut ist, auf. Dies stellt einen zweiten, außerordentlichen Betriebszustand des Sensors dar. Die Funktion 204 besitzt ebenfalls Wendepunkte, welche die Schwingungsmittellage 210 der seismischen Masse 100 kennzeichnen. Die Schwingungsmittellage 210 weist ebenso den Versatz 200 zur Nulllinie 0 des Diagramms auf. Die Amplitude der Funktion 204 wird in den Bereichen größter Auslenkung 205 durch den Anschlag 101 auf den Maximalwert 201 begrenzt. Die im wesentlichen periodische Funktion 204 lässt sich in zwei Halbwellen aufteilen, welche durch die Schwingungsmittellage 210 unterschieden werden. Eine erste Halbwelle weist eine Fläche 206 auf, die von der Mittellage 210, der Kurve 204 und der Linie des Maximalwertes 201 begrenzt ist. Eine zweite Halbwelle weist eine Fläche 207 auf, die von der Mittellage 210 und der Kurve 204 begrenzt ist. Bei noch größerer Amplitude wäre die Fläche 207 auch durch die Linie des Maximalwertes 202 begrenzt. Infolge des Versatzes 200 hin zum Maximalwert 201 in diesem Beispiel, ist die Fläche 206 jedoch immer kleiner als die Fläche 207. Die Funktion 204 ist also asymmetrisch begrenzt und ihr zeitlicher Mittelwert entspricht nicht mehr dem Versatz 200. Bei Kompensation des Versatzes 200 durch das Kompensationselement 116 in einem Sensor gemäß 1 ist das Signal 115 daher ungleich Null. Es wird also ein Signal ausgegeben, welches als Beschleunigung interpretiert wird, obwohl keine bestimmungsgemäß zu messende Beschleunigung auf den Sensor einwirkt.
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3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors mit symmetrischer elektrischer Signalbegrenzung. Im Unterschied zum Sensor gemäss 1 weist der erfindungsgemäße Sensor in diesem Ausführungsbeispiel einen modifizierten C/U-Wandler 110A und eine Auswerteelektronik 300 auf, die dazu dienen, das Signal 111 elektrisch zu begrenzen. Dazu wird das Signal 111 der Auswerteelektronik 300 zugeführt. Nach dem Einschalten wird aus dem Signal 111 in der Auswerteelektronik 300 der Versatz 200 bestimmt, gespeichert und in eine Stellgröße 301 umgeformt, die dem modifizierten C/U-Wandler 110A zugeführt wird. In einer Ausgangsstufe des modifizierten C/U-Wandler 110A sind relativ zur Signalmittellage 210 maximal mögliche positive und negative Amplitude des Signals 111 symmetrisch vorgesehen. Die maximale Amplitude kann auch einstellbar vorgesehen sein. Ausgehend von der Signalmittellage 210, die in der Stellgröße 301 ausgedrückt ist, und der maximalen Amplitude relativ dazu, werden absolute positive und negative Maximalwerte bestimmt, die das Signal 111 annehmen darf. Die Ausgangsstufe des modifizierten C/U-Wandlers 110A begrenzt davon ausgehend das Signal 111 symmetrisch.
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4 zeigt das Schwingungssignal eines erfindungsgemäßen Inertialsensors mit symmetrischer elektrischer Signalbegrenzung. Auf der Achse X ist die Zeit in beliebigen Einheiten aufgetragen. Auf der Achse Y ist das Spannungssignal 111 am Ausgang des modifizierten C/Wandlers 110A aufgetragen. Die Signalkurve 204 ergibt sich bei hochfrequenter Anregung des Sensorelementes 100 mit großer Amplitude. Die Signalkurve 204 ist hier durch elektrische Begrenzungen 401 und 402 symmetrisch begrenzt. Die Begrenzungen stellen die maximal mögliche positive und negative Amplitude des Signals 111 dar. Die Begrenzungen 401 und 402 haben den gleichen Abstand von der Signalmittellage 210 und die Flächen 403 und 404 sind daher gleich groß. Die elektrischen Begrenzungen 401 und 402 liegen innerhalb der mechanischen Begrenzungen 201 und 202.
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5 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inertialsensors mit symmetrischer mechanischer Signalbegrenzung. Im Unterschied zum Sensor gemäss 1 weist der erfindungsgemäße Sensor in diesem Ausführungsbeispiel eine Auswerteelektronik 500 und einen modifizierten mechanischen Anschlag 102A auf. die dazu dienen, das Signal 111 mechanisch zu begrenzen. Zu Beginn des Sensorbetriebes erfolgt die Kompensation des Versatzes 200 auf die in 1 und 2A beschriebene Weise. Daneben wird das Signal 111 der Auswerteelektronik 500 zugeführt. Aus dem Signal 111, welches bei Abwesenheit äußerer Kräfte, wie z. B. bei Betriebsbeginn, im Wesentlichen durch den Versatz 200 bestimmt wird, erzeugt die Auswerteelektronik 500, z. B. mittels einer mathematischen Funktion oder einer in einem Speicher hinterlegten Wertetabelle eine Stellgröße 501. Die Stellgröße 501 wird an ein Stellglied 502 geleitet, an dem der modifizierte Anschlag 102A befestigt ist. In Abhängigkeit von der Stellgröße 501 wird mittels des Stellgliedes 502 der modifizierte Anschlag 102A in seiner Lage 503 verstellt. Das Stellglied 502 dient dazu, den modifizierten Anschlag 102A entlang der Schwingungsrichtung der Antriebsschwingung 107 der seismischen Masse 100 veränderbar zu positionieren. Durch Verstellen des Anschlags 102A als Funktion des Versatzes 200 wird die maximal mögliche Amplitude des Signals 115 auf mechanische Weise symmetrisch begrenzt.
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6 zeigt das Schwingungssignal eines erfindungsgemäßen Inertialsensors mit symmetrischer mechanischer Signalbegrenzung. Auf der Achse X ist die Zeit in beliebigen Einheiten aufgetragen. Auf der Achse Y ist das Spannungssignal 111 am Ausgang des C/U-Wandlers 110 aufgetragen. Die Signalkurve 204 ergibt sich bei Anregung des Sensorelementes 100 mit hoher Frequenz und großer Amplitude durch äußere Kräfte. Die Signalkurve 204 ist hier in ihrem Maximalwert 201 durch den mechanischen Anschlag 101 und in ihrem Maximalwert 601 mittels des modifizierten mechanischen Anschlags 102A symmetrisch begrenzt. Die symmetrische Begrenzung wird durch das Verschieben des Maximalwertes 202 hin zum Maximalwert 601 erreicht. Die Verschiebung 600 der maximal möglichen Amplitude der Funktion 204 ist Ausdruck der Verschiebung der Position 503 des mechanischen Anschlags 102A. Die Begrenzungen stellen die maximal mögliche positive und negative Amplitude des Signals 111 dar. Die Begrenzungen 201 und 602 haben den gleichen Abstand von der Signalmittellage 210 und die Flächen 403 und 404 sind daher gleich groß. Die Maximalwertes 202 und 601 des elektrischen Signals 111 sind gleich den durch die mechanischen Anschläge vorgegebenen Werten.
