DE19719780B4

DE19719780B4 - Beschleunigungserfassungseinrichtung

Info

Publication number: DE19719780B4
Application number: DE19719780A
Authority: DE
Inventors: Karsten Funk; Franz Dr. Laermer; Bernhard Elsner; Wilhelm Dr. Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-05-10
Filing date: 1997-05-10
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2017-05-11
Also published as: US5996409A; DE19719780A1

Abstract

Beschleunigungserfassungseinrichtung (1) mit einem auf einem Substrat (4) aufgebrachten, eine Drehrate erfassenden Drehratensensor (2), der eine zumindest eine auslenkbare seismische Masse (6; 7) umfassende Schwingstruktur (5) aufweist, gekennzeichnet durch einen eine Linearbeschleunigung erfassenden Beschleunigungssensor (3), der zumindest eine weitere seismische Masse (21) aufweist, die an Biegeelementen (22) auslenkbar aufgehängt ist, wobei die seismischen Massen (6; 7; 21) der beiden Sensoren (2; 3) unabhängig voneinander auslenkbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschleunigungserfassungseinrichtung mit auf einem Substrat aufgebrachten, eine Drehrate erfassenden Drehratensensor, der eine zumindest eine auslenkbare seismische Masse umfassende Schwingstruktur aufweist.

Aus der Druckschrift DE 195 00 800 A1 ist ein Drehratensensor der eingangs genannten Art bekannt, der an einem Substrat federnd aufgehängte seismische Massen aufweist, die aufgrund einer Beschleunigungseinwirkung auslenkbar sind. Weiterhin weist der Beschleunigungssensor Auswertemittel zum Erfassen der beschleunigungsbedingten Auslenkung der seismischen Massen auf. Dafür sind die seismischen Massen derart aufgehängt, daß eine Auslenkung durch eventuelle Störbeschleunigungen, insbesondere Linearbeschleunigungen, unterdrückt wird. Der Drehratensensor dient insbesondere zum Erfassen einer Coriolis-Beschleunigung.

Aus der DE 44 31 478 A1 ist ein Beschleunigungssensor bekannt, der eine an Biegeelementen aufgehängte seismische Masse aufweist, die durch eine Beschleunigungseinwirkung auslenkbar ist. Dabei wird eine an der seismischen Masse angebrachte Elektrode relativ zu einer feststehenden Elektrode bewegt, wobei der dadurch gebildete Kondensator seine Kapazität infolge der Beschleunigungseinwirkung verändert. Die Kapazitätsänderung wird meßtechnisch erfaßt. Der im Stand der Technik genannte Sensor wird zur Detektion von Linearbeschleunigungen eingesetzt.

Schließlich ist aus der vorveröffentlichten Druckschrift DE 195 23 895 A1 ein Beschleunigungssensor bekannt, der insbesondere als Coriolis-Drehratensensor ausgebildet ist. In einer Ausführungsform ist der Coriolis-Drehratensensor auch für die Detektion von Linearbeschleunigungen ausgelegt. Dazu wird einer Schwingstruktur, welche durch seismische Massen gebildet ist und drehschwingungsbeweglich aufgehängt ist, eine zusätzliche elektronische Lageregelung zugeordnet, die auf die Schwingstruktur wirkende Linearbeschleunigungen erfaßt und bedämpft. Diese elektronische Lageregelung wird durch an den Schwingmassen angeordnete Kammstrukturen gebildet, die mit weiteren Kammstrukturen in Eingriff sind, so daß durch eine Spannungsbeaufschlagung Kapazitäten zwischen den beiden Kammstrukturen meßbar sind. Bei einer Auslenkung der Schwingstruktur durch eine Linearbeschleunigung ändert sich der Abstand zwischen den einzelnen Fingern der Kammstrukturen, wodurch sich eine Kapazitätsänderung einstellt, die mit der Lageregelungselektronik detektiert wird. Durch Veränderung der angelegten Spannung an die Kammstrukturen ist es durch elektrostatische Wirkung möglich, den Abstand zwischen den Kammstrukturen auf einen vorgegebenen Sollwert einzuregeln. Die für die Abstandsregelung verwendete Spannungshöhe liefert gleichzeitig eine Aussage über die Größe der auf die Schwingstruktur einwirkenden Linearbeschleunigung.

Bei dem in der Druckschrift DE 195 00 800 A1 genannten Beschleunigungssensor ist nachteilig, daß eine Detektion einer Linearbeschleunigung nicht möglich ist, da Linearbeschleunigungen sogar unterdrückt beziehungsweise gedämpft werden.

Der aus der Druckschrift DE 44 31 478 A1 bekannte Beschleunigungssensor kann nur Linearbeschleunigungen detektieren. Er ist deshalb ungeeignet, wenn sowohl eine Linearbeschleunigung als auch eine Coriolis-Beschleunigung erfaßt werden sollen.

Bei dem in der Druckschrift DE 195 23 895 A1 genannten Coriolis-Drehratensensor, der gleichzeitig eine Linearbeschleunigung detektieren soll, ist nachteilig, daß die Amplitude der Drehschwingung um ein vielfaches größer ist als die senkrecht dazu erfolgende Amplitude der Schwingung der Kammstruktur der Lageregelung. Die Amplitude der Drehschwingung hat dabei eine Größenordnung im Bereich von 10 bis 30 μm und die Amplitude der Schwingung der Kammstruktur der Lageregelung eine Größenordnung im Bereich 1 nm. Es läßt sich daraus ableiten, daß die Schwingung der Kammstruktur von der Drehschwingung überlagert wird, so daß das Signal für die Lageregelungselektronik der Kammstruktur von der Drehschwingung mitbeeinflußt wird. Dadurch ist es schwierig, das Signal der Lageregelungselektronik für eine genaue Bestimmung der Linearbeschleunigung heranzuziehen. Jedoch ist es für bestimmte Anwendungen von Beschleunigungssensoren notwendig, sowohl eine Linearbeschleunigung als auch eine nichtlineare Beschleunigung, beispielsweise eine Coriolis-Beschleunigung, genau bestimmen zu können.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 36 588 A1 ist eine Lage-, Azimut- und Positionsmessvorrichtung bekannt. Die Vorrichtung umfasst drei Gyroskope zum Erfassen von Winkelgeschwindigkeiten um drei Achsen, die in einem dreidimensionalen Raum senkrecht zueinander sind, und drei Beschleunigungsmesser, die entsprechend zu den drei Achsen zum Erfassen von Beschleunigungen angeordnet sind. Dabei sind Beschleunigungsmesser und Gyroskope auf gemeinsamen Platinen angeordnet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Beschleunigungserfassungseinrichtung mit einem auf einem Substrat aufgebrachten, eine Drehrate erfassenden Drehratensensor, der eine zumindest eine auslenkbare seismische Masse umfassende Schwingstruktur aufweist, bietet demgegenüber den Vorteil, dass ein eine Linearbeschleunigung erfassender Beschleunigungssensor zusätzlich vorgesehen ist, der zumindest eine weitere seismische Masse aufweist, die an Biegeelementen auslenkbar aufgehängt ist, wobei die seismischen Massen der beiden Sensoren unabhängig voneinander auslenkbar sind, so dass sowohl eine Linearbeschleunigung als auch eine plötzliche Drehbewegung, beispielsweise eine Kraftfahrzeugs, genau registriert werden können. Es ist deshalb möglich, die Beschleunigungserfassungseinrichtung als Überrollsensor für den Einsatz in Kraftfahrzeugen vorzusehen. Sie kann dabei einem Steuergerät Informationen zur Verfügung stellen, aufgrund derer das Steuergerät beispielsweise einen Airbag und/oder einen Gurtstraffer und/oder andere Schutzeinrichtungen auslösen kann, wenn sich das Fahrzeug beispielsweise überschlägt.

Ferner ist vorgesehen, dass jedem Sensor Auswertemittel zugeordnet sind, die in Abhängigkeit der Auslenkung der seismischen Massen Ausgangsinformationen liefern.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Beschleunigungserfassungseinrichtung ist vorgesehen, die von den Auswertemitteln, insbesondere kapazitive Auswertemitteln, gelieferten Ausgangsinformationen aufzubereiten. Das heißt, es ist für den Beschleunigungssensor eine Aufbereitungseinrichtung, insbesondere ein elektronisches Filterelement vorgesehen, das vorzugsweise als Tiefpaßfilterelement ausgebildet ist. Die Zeitkonstante T des Tiefpaßfilterelements beträgt 1 s ≤ T_t ≤ 30 s, vorzugsweise T_t = 10 s. Dadurch, daß das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors über den Tiefpaßfilter mit langer Zeitkonstante gemittelt wird, werden Beschleunigungssignale, die aus der Fahrzeugbewegung, beispielsweise Vibrationen und/oder Rütteln, bei schlechtem Fahrbahnuntergrund resultieren, vorteilhaft unterdrückt, da diese Beschleunigungen wesentlich höhere Frequenzen von einigen 10 Hz bis in den kHz-Bereich hinein aufweisen. Durch diese Aufbereitung des Ausgangssignals des Beschleunigungssensors wird somit in vorteilhafter Weise das Erdschwerefeld gemessen und über lange Zeitkonstanten gemittelt. Das so erhaltene Meßsignal gibt mithin eine mittlere Lageinformation des Fahrzeugs wieder. Dadurch kann festgestellt werden, ob das Fahrzeug im Mittel noch auf den Rädern steht oder bereits auf der Seite oder auf dem Dach liegt. Da jedoch Beschleunigungen wie sie aus Vibrationen, Rütteln oder schnellen Lageänderungen resultieren durch die lange Filterzeitkonstante unterdrückt werden, kann folglich auch keine Erkennung von plötzlich beginnenden Überrollvorgängen stattfinden. Dafür ist erfindungsgemäß vorgesehen, einen Drehratensensor mit Winkelintegrationsstufe einzusetzen. Das Ausgangssignal des Drehratensensors wird in geeigneter Weise durch eine weitere Aufbereitungseinrichtung, vorzugsweise eine Integrationsstufe, die insbesondere mit einem Hochpaßfilter gekoppelt ist, aufbereitet. Ein Hochpaßfilter ist deshalb vorzusehen, da der Integrationsstufe lediglich die Signale des Drehratensensors zugeführt werden dürfen. Denn Gleichspannungen (DC-Offsets) bewirken ein Hochlaufen der Integrationsstufe in einen Sättigungszustand. Die Zeitkonstante T_h des Hochpaßfilters beträgt dabei 1 s ≤ T_h ≤ 100 s.

Neigt sich also ein Kraftfahrzeug um seine Längsachse, beispielsweise beim Durchfahren einer Kurve, so wird die Schwingstruktur des Drehratensensors um eben diesen Neigungswinkel mit einer Drehrate ausgelenkt. Die Drehrate gibt somit bei einer Drehbewegung den pro Zeiteinheit überstrichenen Winkel an. Bei einer Auslenkung geht die Schwingstruktur aus einer Drehschwingungsbewegung in eine Kipp-Drehschwingungsbewegung über. Das Ausgangssignal des Drehratensensors, also die Drehrate dα/dt, welches über den Hochpaß und anschließend über die Integrationsstufe geführt ist, ergibt durch eine Winkelintegration α = ∫ T Ω dt = ∫ T(dα/dt)·dteinen Winkel α, der somit den Grad der Neigung des Kraftfahrzeugs aus der Horizontalen exakt wiedergibt. Der Hochpaß entfernt dabei – wie bereits erwähnt – DC-Offsets. Die Integrationsstufe kann im Rückkoppelzweig einen zum Kondensator parallel geschalteten Widerstand aufweisen. Für die Winkelinformation muß allerdings die Ausgangslage des Kraftfahrzeugs, das heißt, der Neigungswinkel des Kraftfahrzeugs um seine Längsachse bekannt sein. Diese "Anfangsbedingung" liefert das tiefpaßgefil terte Beschleunigungssensorsignal. Während also das langsame Ausgangssignal vom Beschleunigungssensor exakt geliefert wird, kann der Drehratensensor eine schnelle Lageänderung exakt registrieren, wie sie beispielsweise bei einem beginnenden Überschlagvorgang auftritt. Der tatsächliche Neigungswinkel ergibt sich also aus der Ausgangslage des Fahrzeugs – ermittelt durch den Beschleunigungssensor – und aus der vom Drehratensensor ermittelten schnellen Lageänderung.

Weiterhin ist vorgesehen, die aufbereiteten Ausgangsinformationen des Drehratensensors und des Beschleunigungssensors einer Auswerteeinrichtung zuzuführen, wobei jeweils für jeden Sensor eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform der Auswerteeinrichtung, die im Multiplexbetrieb die Ausgangsinformationen der Sensoren abtastet.

In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, die erfindungsgemäße Beschleunigungserfassungseinrichtung mit einer oberflächenmikromechanischen Struktur auszubilden. Dabei kann eine 2-Chipausführung vorgesehen sein, wobei in einem ersten Chip die mikromechanischen Sensoren ausgebildet sind und in einem zweiten, separaten Elektronikchip die komplette Auswerteelektronik untergebracht ist. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, sowohl die Beschleunigungserfassungseinrichtung als auch die Auswerteeinrichtung vollintegriert in einem Chip unterzubringen, wobei in besonders bevorzugter Ausführungsform die "additive Integrationstechnik" angewandt wird. Die additive Integrationstechnik beschreibt ein Verfahren, bei dem auf einem Substrat, beispielsweise Silizium, zunächst eine mikroelektronische Schaltung hergestellt wird. Anschließend wird eine sogenannte Opferschicht auf die mikroelektronische Schaltung aufgebracht, auf der durch "sputtern" eine metallische Schicht gebildet wird. Diese Schicht besteht aus Chrom und darüber aufgebrachtem Kupfer. Mit Hilfe der aufgesputterten Schicht werden dann beispielsweise mikromechanische Bauelemente in einem galvanischen Depositionsverfahren in eine "verlorene Polymerform" erzeugt und anschließend freigelegt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Beschleunigungserfassungseinrichtung,
2 eine Schnittansicht der Beschleunigungserfassungseinrichtung, und
3 eine weitere Schnittansicht der Beschleunigungserfassungseinrichtung, die gegenüber der Ausbildung nach 2 in additiver Integrationstechnik ausgeführt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die 1 zeigt eine Beschleunigungserfassungseinrichtung 1, die einen Drehratensensor 2 und einen eine Linearbeschleunigung erfassenden Beschleunigungssensor 3 aufweist, wobei beide Sensoren auf einem Substrat 4 aufgebracht sind. Der Drehratensensor 2 besteht aus einer Schwingstruktur 5, die durch seismische Massen 6 und 7, welche über Verbindungsstege 8 und 9 starr miteinander verbunden sind, gebildet ist. Die so gebildete einstückige Schwingstruktur 5 ist in einem Lagerpunkt 10 drehschwingungsbeweglich gelagert. Dazu werden Torsionsfedern 11 und 12 mit ihrem einen Ende an den Verbindungsstegen 8 und 9 mittig angebracht und mit ihrem anderen Ende mit dem Lagerpunkt 10 verbunden. Die Schwingstruktur 5 ist spiegelsymmetrisch zum Längsverlauf der Torsionsfedern ausgebildet. Die Schwingstruktur 5 befindet sich somit in einem schwebenden, nur von dem Lagerpunkt 10 abgestützten Zustand.
Die seismischen Massen 6 und 7 weisen – in Draufsicht gesehen – eine kreisringflächige, sektorförmige Struktur auf, wobei die räumlichen Abmessungen einer flachen Scheibe entsprechen. An den jeweiligen Sektorgrenzen 13 sind jeweils Kammstrukturen 14 ausgebildet, die mit weiteren Kammstrukturen 15 in Eingriff stehen und beispielsweise einen elektrostatischen Antrieb 16 bilden. Dabei versetzt der elektrostatische Antrieb 16 die Schwingstruktur 5 um den Lagerpunkt 10 in eine oszillierende Drehschwingung, ähnlich einer "Unruhe" eines mechanischen Uhrwerks. Die Drehschwingungsfrequenz beträgt dabei vorzugsweise 3000 1/s. Unterhalb der seismischen Massen 6 und 7 sind jeweils gestrichelt dar gestellte Elektroden 17 und 18 angebracht, wobei zwischen der seismischen Masse 6 beziehungsweise 7 und der Elektrode 17 beziehungsweise 18 ein elektrisch isolierender Luftspalt – hier nicht dargestellt – vorhanden ist. Eine elektrische Verbindung zu einer hier in 1 nicht dargestellten Auswerteeinrichtung – die vorzugsweise auch den elektrostatischen Antrieb 16 jeweils über Kontaktierungen 19 mit Energie versorgt – ist für die Elektroden 17 und 19 über die Kontakte 20 vorgesehen, wobei beispielsweise eine Bezugsmasse über den Lagerpunkt 10 vorgesehen ist.
Der Beschleunigungssensor 3 umfaßt eine weitere seismische Masse 21, die an Biegeelementen 22 in einer Richtung auslenkbar aufgehängt ist, wobei die seismische Masse 21 sich in einem schwebenden Zustand über dem Substrat 4 befindet. Die seismische Masse 21 bildet mit einer an ihr angebrachten Kammstruktur 23 eine Schwingstruktur 25, wobei die Kammstruktur 23 mit einer weiteren Kammstruktur 24 in Eingriff steht. Dabei bilden jeweils gegenüberstehende Finger 26 und 27 der Kammstrukturen 23 und 24 ein Elektrodenpaar (Auswertemittel 41), wobei eine Kontaktierung der Finger 26 über den Kontakt 28 und eine Kontaktierung der Finger 27 über den Kontakt 29 vorgesehen ist. Die Kontakte 28 und 29 sind vorzugsweise mit einer hier nicht dargestellten Auswerteeinrichtung elektrisch leitend verbunden.
Es ergibt sich folgende Funktion:
Der elektrostatische Antrieb 16 des Drehratensensors 2 versetzt die Schwingstruktur 5 in die bereits beschriebene Drehschwingung, wobei hier dar auf hingewiesen sei, daß die Drehschwingung eine planare Bewegung ist. Dadurch, daß die Drehschwingung planar ist, ergibt sich jeweils ein gleich großer Luftspalt zwischen der seismischen Masse 6 und der Elektrode 18 und der seismischen Masse 7 und der Elektrode 17, so daß sich jeweils eine gleich große Kapazität zwischen den Elektroden 17 beziehungsweise 18 und den dazugehörigen seismischen Massen 6 und 7 einstellt. Es wird dadurch deutlich, daß die Anordnung der Elektroden 17 beziehungsweise 18 vorzugsweise unterhalb der seismischen Massen 6 beziehungsweise 7 geeignete kapazitive Auswertemittel 42 darstellen, die über eine geeignete Auswerteeinrichtung abtastbar sind. Wirkt nun auf die Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 und damit auf den Drehratensensor 2 eine Drehrate und damit Corioliskräfte, so geht die Schwingstruktur 5 aus ihrer planaren Drehschwingung in eine räumliche Kipp-Drehschwingung über. Dadurch verändert sich jeweils der Luftspalt zwischen den Elektroden 17 beziehungsweise 18 und den dazugehörigen seismischen Massen 6 und 7, wodurch sich eine Kapazitätsänderung einstellt. Dabei kann beispielsweise der Luftspalt zwischen der seismischen Masse 6 und der Elektrode 18 geringer werden und gleichzeitig der Luftspalt zwischen der seismischen Masse 7 und der Elektrode 17 größer und umgekehrt. Die daraus resultierende Kapazitätsänderung der Auswertemittel 42 ist durch die Auswerteeinrichtung erfaßbar. Die Größe der periodischen Kapazitätsänderung ist hierbei ein Maß für die Größe der einwirkenden Corioliskräfte und damit für die Drehrate dα/dt, aus der durch Integration der Drehwinkel
erhalten wird. Für den Drehratensensor 2 ergibt sich eine Sensierrichtung, wie sie durch den Pfeil 30 dargestellt ist.
Wirkt nun eine Beschleunigung auf den Beschleunigungssensor 3, so wird die seismische Masse 21 ausgelenkt. Dabei ergibt sich beispielsweise eine Kapazitätsänderung zwischen einem Elektrodenpaar (Auswertemittel 41), welches durch die Finger 26 und 27 gebildet wird. Diese Kapazitätsänderung läßt sich über eine Auswerteeinrichtung – hier nicht dargestellt –, die mit den Kontakten 28 und 29 verbunden ist, erfassen. Durch die Anordnung der Biegeelemente 22 ergibt sich eine Sensierrichtung, wie sie mittels eines Doppelpfeils 31 dargestellt ist.
Durch die möglichen Sensierrichtungen, welche durch die Pfeile 30 und 31 dargestellt sind, ist es bei entsprechender Anordnung der Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 beispielsweise an einem Kraftfahrzeug möglich, einerseits die Lage des Fahrzeugs aus dem Beschleunigungssensor-Signal zu bestimmen, andererseits läßt sich ein beginnender Überrollvorgang aus dem Drehratensensor-Signal sicher sensieren. Dazu wird die Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 in einem Kraftfahrzeug beispielsweise so angebracht, daß die Sensierrichtung des Drehratensensors 2 (Pfeil 30) in Richtung der Längsachse des Kraftfahrzeugs verläuft, wobei die Torsionsfedern 11 und 12 beispielsweise senkrecht zur Längsachse angeordnet sein können. Durch die gemeinsame Anordnung von Beschleunigungssensor 3 und Drehratensensor 2 auf dem Substrat 4 ergibt sich folglich eine Ausrichtung des Beschleunigungssensors 3 derart, daß bei einer Neigung des Fahrzeugs um seine Längsachse die Erdbeschleunigung g sensierbar ist (Doppelpfeil 31). Daraus ergibt sich bei einer Neigung des Fahrzeugs um die Längsachse um den Neigungswinkel α eine durch den Beschleunigungssensor 3 sensierbare Beschleunigung a: a = g·sinα.
Die Größe der sensierten Beschleunigung a ist somit ein Maß für die Lage des Kraftfahrzeugs. Beispielsweise kann sich die Lage des Fahrzeugs dadurch ändern, daß sich während einer Kurvenfahrt das Kraftfahrzeug um seine Längsachse neigt. Dadurch, daß das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors 3 über ein Tiefpaßfilterelement (Bestandteil der Auswerteeinrichtung) mit einer Zeitkonstante 1s ≤ T ≤ 30 s, vorzugsweise T = 10 s gemittelt wird, werden Störbeschleunigungen (Vibrationen, Rütteln) infolge von Fahrbahnunebenheiten unterdrückt. Der Beschleunigungssensor 3 liefert also ein Signal an ein hier nicht dargestelltes Steuergerät, welches auf die "mittlere" Lage des Fahrzeugs schließen läßt.
Erfolgt jedoch eine sehr schnelle Neigung des Fahrzeugs um die Längsachse, beispielsweise bei einem beginnenden Überrollvorgang infolge eines Unfalls, so reagiert der Drehratensensor 2 mit einem Übergang der planaren Drehschwingung der Schwingstruktur 5 in eine Kipp-Drehschwingung, deren Amplitude stets der momentanen Drehrate proportional ist. Dadurch ändert sich, wie bereits beschrieben, die Kapazität der Elektrodenanordung (seismische Massen 6 und 7 mit den zugehörigen Elektroden 17 und 18). Die Amplitude der periodischen Kapazitätsänderung ist folglich ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit Ω, die mithin die Winkelgeschwindigkeit des Nei gungsvorgangs wiedergibt. Durch beispielsweise eine Integrationsstufe mit einem gekoppelten Hochpaß (Bestandteil der Auswerteeinrichtung) zur Offset-Unterdrückung, kann aus der Winkelgeschwindigkeit Ω durch Winkelintegration in Verbindung mit dem tiefpaßgefilterten Lagesignal des Beschleunigungssensors 3 der momentane Neigungswinkel α sehr schnell (ms-Bereich) bestimmt werden. Diese Beziehung läßt sich wie folgt mathematisch darstellen:
wobei der Nullpunkt (Anfangsbedingung) des Integrators vom Beschleunigungssensor 3 bereitgestellt wird. Der so ermittelte Neigungswinkel α wird an das Steuergerät (nicht dargestellt) geleitet und kann ein Auslösekriterium für einen Gurtstraffer und/oder Airbag sein, beispielsweise dann, wenn der so ermittelte Neigungswinkel des Fahrzeugs um die Längsachse einen Wert annimmt, bei dem davon auszugehen ist, daß das Fahrzeug bereits auf der Seite liegt oder in eine überkritische Lage übergegangen ist. Natürlich ist es auch denkbar, die Winkelgeschwindigkeit Ω als weiteres Auslösekriterium mit heranzuziehen, indem das Steuergerät aus der (integrierten) Winkelinformation und der momentanen Winkelgeschwindigkeit extrapoliert, ob das Fahrzeug noch eine Rückkehrchance in die stabile Lage hat oder bereits auf einen Überschlag zusteuert.
Anhand der 2 und 3, die lediglich eine vereinfachte Darstellung der Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 darstellen, wird auf Besonderheiten eingegangen, die aus verschiedenen Herstellungsverfahren resultieren.
Die Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 in 2 ist – wie bereits erwähnt – auf dem Substrat 4 aufgebracht. Auf dem Substrat 4, insbesondere aus Silizium, befindet sich eine Isolierschicht 43, die von einer Leitschicht 44 beziehungsweise 44' teilweise abgedeckt wird. Aus der Leitschicht 44 beziehungsweise 44' wurden in einem Herstellungsverfahren Leiterbahnen (nicht dargestellt) herausgearbeitet. Diese Leiterbahnen stellen eine elektrische Verbindung zwischen den Sensoren (Drehratensensor 2 beziehungsweise Beschleunigungssensor 3) und einer im Substrat 4 ausgebildeten mikroelektronischen Schaltung, insbesondere Auswerteeinrichtung 38, her. Insbesondere sind die Leitschichten 44 beziehungsweise 44' mit den Auswertemitteln 41 beziehungsweise 42 – in 2 nicht dargestellt – verbunden. Dadurch wird es in vorteilhafter Weise möglich, die Auswertemittel 41 beziehungsweise 42 über eine vergrabene Schicht 45 beziehungsweise 45' mit einer – wie bereits erwähnt – im Substrat 4 eingebrachten mikroelektronischen Schaltung zu verbinden. Insbesondere stellt die mikroelektronische Schaltung die komplette Aufbereitungseinrichtung für die Ausgangssignale der Sensoren dar. Somit ist eine 1Chip-Ausführung realisiert. Die in 2 dargestellten Schwingstrukturen 5 beziehungsweise 25 sind hier aus einer in einem Herstellungsverfahren auf die Leitschichten 44 beziehungsweise 44' aufgebrachten Siliziumschicht herausgearbeitet. Auf den Sensoren zugeordneten Rahmenteilen 46 ist ein Deckel 47 beabstandet zu den Schwingstrukturen 5 beziehungsweise 25 aufgebracht. Der Deckel 47 bildet jedoch einen hermetischen Verschluß aus. Eine genaue Beschreibung des Herstellungsverfahrens, nach welchem die Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 nach 2 hergestellt wird, findet sich in der DE-PS 195 37 814.8 wieder, deren Offenbarungsgehalt bezüglich dieses Herstellungsverfahrens hiermit einbezogen wird.
Die 3 zeigt die Beschleunigungserfassungseinrichtung 1, die allerdings nach einem anderen Herstellungsverfahren als die Ausführungsform gemäß 2 hergestellt wurde. Die Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 ist auf einem Substrat 4 aufgebracht, das vorzugsweise aus Silizium besteht. Im Verlauf des Herstellungsverfahrens wird eine IC-Passivierung 48 aufgebracht, die in einzelnen Bereichen 49 unterbrochen ist. Auf die IC-Passivierung 48 und die ausgesparten Bereiche 49 wird eine Metallschicht 51, vorzugsweise Chrom, abgeschieden, die eine gesamte Oberfläche 50 der IC-Passivierung 48 und das Substrat 4 in den Bereichen 49 abdeckt. Die Metallschicht 51 ist beispielsweise aufgesputtert. In den Bereichen 49 bildet die Metallschicht 51 sogenannte Kontaktpads 52 aus. Auf die Metallschicht 51 werden in mehreren Verfahrensschritten der Drehratensensor 2 und der Beschleunigungssensor 3 aufgebracht. Die Sensoren (Drehratensensor 2 und Beschleunigungssensor 3) sind in 3 ebenfalls nur durch die Schwingstruktur 5 beziehungsweise 25 vereinfacht dargestellt. Die in der 3 nicht dargestellten Auswertemittel 41 und 42 der Sensoren sind über die Kontaktpads 52 mit einer im Substrat 4 eingebrachten mikroelektronischen Schaltung, insbesondere Auswerteeinrichtung 38, verbunden. Diese Ausführungsform ist im Stand der Technik als additive Integrationstechnik bekannt. Bezüglich der Herstellung der Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 wird der Offenbarungsgehalt der Offenlegungsschrift DE 44 18 163 A1 mit einbezogen. Auch die 3 zeigt die Beschleunigungserfassungsein richtung 1 in einer 1-Chip-Ausführung. Selbstverständlich sind jedoch auch 2-Chip-Ausführungen der Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 denkbar, so daß die Sensoren getrennt von der elektronischen Schaltung auf jeweils einem Chip ausgebildet sind.
Nach alledem wird deutlich, daß die erfindungsgemäße Beschleunigungserfassungseinrichtung 1 ein Sensorsystem darstellt, das mittels des Beschleunigungssenors 3 und des Drehratensensors 2 zu jedem Zeitpunkt eine exakte Information über die Lage des Fahrzeugs liefert, wobei sowohl langsame als auch schnelle Lageänderungen jeweils exakt und ohne Beeinträchtigungen durch Störsignale erfaßt werden. Damit läßt sich ein Überrollsensor realisieren, der in vorteilhafter Weise Sicherheitsanforderungen, die an zeitgemäße Sicherheitssysteme gestellt werden, erfüllt.

Claims

Beschleunigungserfassungseinrichtung (1) mit einem auf einem Substrat (4) aufgebrachten, eine Drehrate erfassenden Drehratensensor (2), der eine zumindest eine auslenkbare seismische Masse (6; 7) umfassende Schwingstruktur (5) aufweist, gekennzeichnet durch einen eine Linearbeschleunigung erfassenden Beschleunigungssensor (3), der zumindest eine weitere seismische Masse (21) aufweist, die an Biegeelementen (22) auslenkbar aufgehängt ist, wobei die seismischen Massen (6; 7; 21) der beiden Sensoren (2; 3) unabhängig voneinander auslenkbar sind.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Sensor (2; 3) Auswertemittel (41; 42) zugeordnet sind, die in Abhängigkeit der Auslenkung der seismischen Massen (6; 7; 21) Ausgangsinformationen liefern.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungserfassungseinrichtung (1) ein Überrollsensor ist.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer Auswerteeinrichtung (38) die Ausgangsinformationen der Auswertemittel (41; 42) zugeführt werden.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertemittel (41; 42) kapazitive Auswertemittel sind.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsinformationen der Auswertemittel (41; 42) aufbereitet sind.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitungseinrichtung für die Ausgangsinformationen des Beschleunigungssensors (3) ein elektronisches Filterelement ist.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Filterelement ein Tiefpaßfilterelement ist.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante T_t des Tiefpaßfilters 1s ≤ T_t ≤ 30 s, vorzugsweise T_t = 10 s beträgt.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitungseinrichtung für die Ausgangsinformationen des Drehratensensors (2) eine Integrationsstufe vorzugsweise mit einem gekoppelten Hochpaß ist.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante T_h des Hochpasses 1s ≤ Th ≤ 100 s ist.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Filterelement und die Integrationsstufe der Auswerteeinrichtung (38) zugeordnet sind.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (38) die aufbereiteten Ausgangsinformationen des Drehratensensors (2) und des Beschleunigungssensors (3) vorzugsweise in einem Multiplexbetrieb erfaßt.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungserfassungseinrichtung (1) und die Auswerteeinrichtung (38) jeweils auf einem Substrat (4) angeordnet sind.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungserfassungseinrichtung (1) und die Auswerteeinrichtung (38) auf einem Substrat (4) vollintegriert, vorzugsweise in additiver Integrationstechnik, angeordnet sind.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors (3) nach der Tiefpaßfilterung die mittlere Fahrzeuglage als analoge Information liefert, die frei von schnellen Störimpulsen ist.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Information der Fahrzeuglage der Integrationsstufe des Drehratensensors (2) bereitgestellt wird und damit die Integrationsanfangsbedingung liefert.
Beschleunigungserfassungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verarbeitung des tiefpaßgefilterten Ausgangssignals des Beschleunigungssensors (3) und des Ausgangssignals der Integrationsstufe des Drehratensensors in einem Steuergerät numerisch erfolgt.