DE19752439C2 - Mikromechanischer Neigungssensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mikromechanischen Neigungssen­ sor, insbesondere für Kraftfahrzeuge. Die Neigungsmessung von Maschinen und anderen Geräten ist aus vielerlei Gründen von Bedeutung. Zum einen kann die Schieflage einer Maschine zu Laufschäden führen. Zum anderen kann die Neigung bzw. Schräg­ lage eines Fahrzeuges ein Indikator dafür sein, daß dieses kurz vor dem Umkippen steht. Mit dem Neigungssensor kann auch der gemessene Füllstand, z. B. von Motor- oder Getriebeöl oder von Kraftstoff in einem Kraftstofftank korrigiert werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn es sich um einen thermischen Füllstandssensor handelt, der ungünstig im zu messenden Reservoir angeordnet ist.

Zur Neigungsmessung sind verschiedene Sensoren bekannt, die zum Teil derart aufgebaut sind, daß sich eine Flüssigkeit in einer geschlossenen Kammer bewegt. Mit der Änderung der Lage der Flüssigkeit in der Kammer ändert sich je nach Ausfüh­ rungsform entweder der Widerstand oder die Kapazität zwischen zwei Elektroden. Die Nachteile derartiger Sensoren bestehen darin, daß die Zuverlässigkeit des Sensors von der Stabilität der elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit und der abso­ luten Dichtheit der Kammer abhängt. Nachteilig ist ferner, daß eine externe Auswerteschaltung notwendig ist, die unter Umständen noch abgeglichen werden muß.

Eine weitere Möglichkeit der Neigungsmessung besteht darin, die Lage eines Sensors relativ zum Erdmagnetfeld auszuwerten. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß äußere magnetische Felder die Messung verfälschen können.

Bekannt sind ferner mikromechanische Drucksensoren. In "Hydrostatische Füllstandmessung - intelligente SILOMETER er­ öffnen neue Einsatzgebiete" von E. Meyer und A. Bächle, mes­ sen + steuern, Firmenzeitschrift der internationalen Endress + Hauser Gruppe 50/1988, S. 15 ff, ist die Verwendung piezo­ resistiver Meßaufnehmer mit Siliziumdruckmeßelementen be­ schrieben. Bei einer derartigen piezoresistiven Meßzelle wirkt der zu messende Druck auf eine Stahlmembran und über eine mit Silikonöl gefüllte Kammer auf ein Siliziumplättchen. Auf das Siliziumplättchen wirkt auch von der anderen Seite der Referenzdruck, der in der Regel der Atmosphärendruck ist. Das Plättchen besteht aus monokristallinem Silizium. Unter einseitiger Druckeinwirkung verformt sich das Plättchen ela­ stisch und die dabei auftretenden mechanischen Spannungen sind ein Maß für den aufgebrachten Druck. Die sich durch den piezoresistiven Effekt ergebende Widerstandsänderung bewirkt eine proportionale Verstimmung einer vorgesehenen Wider­ stands-Meßbrücke, die als Signalgeber dient.

Ein ähnlicher piezoresistiver Drucksensor ist auch aus "Lexikon Meß- und Automatisierungstechnik", E. Schrüfer (Hrsg.), VDT-Verlag, Düsseldorf, 1992, Seite 132, bekannt.

Aus der DD 226 067 A1 ist ein Aufnehmer zur Messung der Nei­ gung von Flächen gegenüber einer ungeneigten Ebene bekannt. Ein derartiger Aufnehmer weist vier um 90° versetzt angeord­ nete Sensorflächen auf, auf denen über eine Haftschicht ver­ bunden eine Masseplatte vorgesehen ist. Bei einer Neigung der Masseplatte gegenüber der Horizontalen werden die Sensorflä­ chen anders belastet. Die Belastung wird in elektrische Si­ gnale umgesetzt, welche über eine Brückenschaltung außerhalb des Aufnehmers ausgewertet werden. Der bekannte Aufnehmer weist den Nachteil auf, daß er eine Mindestgröße besitzt und nicht ohne weiteres miniaturisiert werden kann. Ferner ist eine außerhalb des Aufnehmers vorgesehene Auswerteeinheit erforderlich, so daß auch in dieser Hinsicht eine Miniaturi­ sierung nicht möglich ist.

Aus der JP 2-107 914 A ist ein miniaturisierter Neigungssensor bekannt, der eine Siliziumplatte aufweist, welche mit einem im wesentlichen senkrecht zu ihr verlaufenden Massezapfen verbunden ist. In der Umgebung des Zapfens sind in der Sili­ ziumplatte Dehnmeßstreifen vorgesehen, so daß eine Verdrehung des Massezapfens gegenüber der Siliziumplatte zu elektrischen Signalen in den Dehnmeßstreifen führt. Die bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß sie gegenüber äußeren Einflüssen emp­ findlich ist, da der Massezapfen leicht beschädigt werden kann bzw. abbrechen kann. Darüber hinaus erfolgt die Auswer­ tung der Signale außerhalb des Neigungssensors.

Aus "Micromechanical inclinometer" von U. Mescheder und S. Majer, Sensors and Actuators A 60 (1997) 134-138, ist ein mi­ kromechanischer Neigungssensor bekannt. Dieser umfaßt eine Masseplatte, die hängend über vier Kontaktstreifen mit einem Trägerrahmen verbunden ist. Die Kontaktstreifen weisen piezo­ resistive Widerstände auf, so daß eine Neigung der Masseplat­ te zu verschiedenen elektrischen Signalen in den Widerständen führt. Nachteilig an dem bekannten Neigungssensor ist, daß die frei hängende Masseplatte empfindlich gegenüber mechani­ schen Einwirkungen von außen ist, da die piezoresistiven Wi­ derstände leicht Schaden nehmen können. Darüber hinaus ist eine integrierte Auswerteeinheit in dem Neigungssensor nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikromechani­ schen Neigungssensor so auszugestalten, daß eine Neigung mög­ lichst einfach und kostensparend gemessen und ausgewertet werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen mikromechani­ schen Neigungssensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, ge­ löst, der umfaßt eine Trägerplatte, deren Neigung zur Hori­ zontalen bestimmt werden soll, mindestens zwei auf der Trä­ gerplatte integriert vorgesehene Drucksensoreinheiten zur Bestimmung von auf die Trägerplatte dort aufgebrachten Drücken, eine Masseplatte, die mit der Trägerplatte über jede Drucksensoreinheit verbunden ist und eine Auswerteein­ heit zur Ermittlung der Neigung der Trägerplatte aus Ausga­ bedaten der Drucksensoreinheiten, wobei die Trägerplatte eine Grundplatte und eine darauf vorgesehene integrierte Schaltung aufweist und die Auswerteeinheit in der inte­ grierten Schaltung vorgesehen ist.

Da der erfindungsgemäße Neigungssensor keine Flüssigkeit ent­ hält, kann es zu keinen Meßfehlern durch Veränderungen der Flüssigkeit kommen. Auch ist keine Abhängigkeit vom Erdma­ gnetfeld und von magnetischen Störfeldern gegeben. Der Nei­ gungssensor läßt sich durch integrierte Schaltungstechnik (z. B. VLSI IC-Technik) miniaturisiert herstellen.

Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind in den abhängi­ gen Ansprüchen wiedergegeben.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 einen mikromechanischen Neigungssensor im Querschnitt.

Fig. 2 einen mikromechanischen Neigungssensor gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.

Fig. 3 eine Teil-Draufsicht auf einen Neigungssensor gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Neigungssensors in Draufsicht, und

Fig. 5 eine Neigungssensoranordnung mit Neigungssensoren ge­ mäß Fig. 1 oder Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen mikromechanischen Neigungssensor 1 insbe­ sondere für Kraftfahrzeuge. Der Neigungssensor 1 weist eine Trägerplatte 2 auf, deren Neigung bestimmt werden soll. Auf der Trägerplatte 2 sind zwei Drucksensoreinheiten 3 inte­ griert angeordnet. Die Drucksensoreinheiten 3 sind mit der Trägerplatte 2 fest verbunden und erlauben die Ermittlung ei­ nes Drucks, der von außen auf die Drucksensoreinheiten 3 wirkt.

Eine Masseplatte 4 ist mit der Trägerplatte 2 über die Druck­ sensoreinheiten 3 verbunden.

Eine Auswerteeinheit nimmt die von der Drucksensoreinheit 3 erzeugten Daten auf und ermittelt die Neigung der Trägerplat­ te 2. Unter Neigung wird die relative Lage zum Schwerefeld der Erde verstanden.

Die Masseplatte 4 besteht aus einer Basisplatte 5, die aus Silizium gefertigt ist. Auf der Basisplatte 5 ist mit dieser fest verbunden eine Deckplatte 6 vorgesehen, die aus einem Material mit einer Dichte, die höher ist als die Dichte des Materials der Basisplatte, besteht. Als Material für die Deckplatte kommt ein schwereres Metall in Frage. Dieses wird durch ein- oder mehrschichtiges Aufdampfen oder durch andere in der Halbleitertechnik übliche Verfahren, wie z. B. Epita­ xie, auf der Basisplatte 5 aufgebracht.

Die Trägerplatte 2 besteht aus einer Grundplatte 7 bzw. Bulk, auf der eine integrierte Schaltung 8 angeordnet ist. Die Drucksensoreinheiten 3 sind auf der integrierten Schaltung 8 bzw. benachbart zu dieser vorgesehen.

Die Drucksensoreinheiten 3 umfassen einen in die integrierte Schaltung 8 eingebetteten, ebenfalls integrierten Drucksensor 9 und einen sich von der Trägerplatte 2 erhebenden Stutzen 10, der sowohl mit der Masseplatte 4 als auch mit der Träger­ platte 2 verbunden ist. Die Masseplatte 4 und Trägerplatte 2 sind im wesentlichen parallel zueinander mit einem Zwischen­ raum 11 vorgesehen und lediglich über die Stutzen 10 mitein­ ander verbunden. Es ist jedoch auch möglich, unterhalb der Masseplatte 4 an weiteren nicht gezeigten Stellen Überdruck­ stützen vorzusehen, die fest auf der Trägerplatte 2 montiert sind, um bei hohen Drücken die auf die Drucksensoreinheiten 3 wirkenden Kräfte zu begrenzen. Dies ist als Überdruckschutz bei piezoresitiven Drucksensoren von Vorteil. Die Masse­ platte 4 legt sich dabei ab einem bestimmten Druck auf die Überdruckstützen auf.

Als Drucksensoren 9 werden piezoresistive Druckaufnehmer der oben beschriebenen Art verwendet. Es können jedoch auch be­ liebige andere Drucksensoren verwendet werden, die sich in die vorgegebene Anordnung integrieren lassen. Ferner ist es möglich, die Drucksensoren 9 als druckabhängige Kapazitäten auszugestalten, die vorteilhafterweise in Oberflächen-µ- Mechanik hergestellt werden, da eine in dieser Technologie aufgebaute Druckmeßzelle unkritisch auf Überdrücke reagiert, wobei dann lediglich das Meßsignal auf Endwert geht und keine Zerstörung der Zelle eintritt. Mit derartigen Drucksensoren 9 ist die Messung negativer Drücke möglich, d. h. wenn auf die Masseplatte 4 eine Kraft wirkt, deren Normalkomponente bezo­ gen auf die durch die Trägerplatte 2 gebildete Ebene von der Trägerplatte 2 weg in Richtung der Masseplatte 4 wirkt.

Die Auswerteeinheit ist in der integrierten Schaltung 8 vor­ gesehen. Ferner sind in dieser gängige, digitale Schnittstel­ len, wie CAN, SPI etc. mit integriert. Auch ist eine Schal­ tung zum elektrischen Abgleich des Neigungssensors 1 auf der Schaltung 8 mit integriert. Die Auswerteeinheit nimmt die Si­ gnale der verschiedenen Drucksensoreinheiten 3 auf, verarbei­ tet diese unter Berücksichtigung des Neigungswinkels der Aus­ gangsanordnung und produziert als Ergebnis die Neigung des Neigungssensors 1 im Raum.

Befindet sich die Trägerplatte 2 in der horizontalen Lage, so ist die Normalkraft, die die Drucksensoren 9 belastet, gleich der Gewichtskraft der Masseplatte 4. Wird die Trägerplatte 2 geneigt, so teilt sich die Gewichtskraft der Masseplatte 4 in zwei Komponenten auf. Die Normalkraft, die dabei auf den Drucksensoren 9 lastet, ändert sich für die beiden Drucksen­ soren 9 mit steigendem Neigungswinkel der Trägerplatte 2 ge­ genüber der Horizontalen. Wird der gesamte Neigungssensor 1 um 180° gedreht, so werden die Drucksensoren 9 auf Zug bela­ stet. Sind die Drucksensoren 9, wie oben beschrieben, als Ka­ pazitäten ausgelegt, ist auch dieser Zustand meßbar. Wird das Differenzsignal der beiden Drucksensoren 9 ausgewertet, so wird das Meßergebnis vom Umgebungsdruck unabhängig, da dieser für beide Drucksensoren 9 der gleiche ist. Alterungseffekte des Neigungssensors 1 werden dadurch minimiert, daß die auf einer integrierten Schaltung hergestellten Drucksensoren 9 ein nahezu identisches Alterungsverhalten aufweisen, welches sich zwischen den verschiedenen Drucksensoren 9 aufhebt.

Die Empfindlichkeit des Neigungssensors 1 ist abhängig vom Neigungswinkel der Trägerplatte 2 gegenüber der Horizontalen. Für kleine Winkel zur Horizontalen ist die Empfindlichkeit geringer als für große Winkel. Deshalb kann in einer bevor­ zugten Ausführungsform der Neigungssensor 1 geneigt in ein nicht gezeigtes Gerät eingebaut werden und diese Lage als Nullneigungslage definiert werden.

Da die Empfindlichkeit des Neigungssensors 1 sowohl von der Masse der Masseplatte 4 als auch von der Größe der Kraftauf­ trittsfläche der Drucksensoren 9 abhängig ist, ist es vor­ teilhaft, die Kraftauftrittsfläche der Drucksensoren 9 mög­ lichst klein und die Fläche bzw. das Volumen der Masseplatte 4 möglichst groß auszuführen. Wie bereits oben erwähnt kann die Masse der Masseplatte 4 durch Aufbringen einer Metall­ schicht eines Metalls mit hoher spezifischer Dichte weiter erhöht werden.

Als Material der Basisplatte 5 können andere geeignete Halb­ leitermaterialien als Silizium verwendet werden. Bei der Her­ stellung eines Neigungssensors 1 kann die gesamte Anordnung durch IC-Technik miniaturisiert produziert werden.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind auf der Trägerplatte 2 vier Drucksensoreinheiten 3 angeordnet, die mit einer in Fig. 4 nicht gezeigten Masseplatte 4 verbun­ den sind. Die vier Drucksensoreinheiten 3 liegen auf den Schenkeln zweier sich im wesentlichen senkrecht schneidender Linien. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Drucksen­ soreinheiten 3 auf den Ecken einer Raute. Durch die vier Drucksensoreinheiten 3 kann die Neigung der Trägerplatte 2 in nicht nur einer Richtung, sondern in zwei Richtungen bestimmt werden. Hierfür müssen die Signale der verschiedenen Druck­ sensoreinheiten 3 in der Auswerteeinheit geeignet zueinander in Bezug gesetzt werden.

Gemäß einer dritten in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform weist eine Neigungssensoranordnung 12 zwei Neigungssensoren 1 auf, die auf einer Leiterplatte 13 angeordnet sind, die auch als Hybrid ausgebildet sein kann. Die Neigungssensoren 1 liegen entlang zweier in der Ebene der Leiterplatte 13 verlaufender Achsen 14, 15. Die Achsen 14, 15 nehmen in einer bevorzugten Ausführungsform einen Winkel von 90° zueinander ein. Die Nei­ gungssensoren 1 sind entlang der Achsen 14, 15 derart ange­ ordnet, daß sie eine Verschwenkung um diese Achsen detektie­ ren können. Die Neigungssensoranordnung 12 ermöglicht es, die Neigung der Anordnung in zwei Ebenen, und damit im Raum zu bestimmen.

Claims (16)

1. Mikromechanischer Neigungssensor, insbesondere für Kraft­ fahrzeuge, umfassend

• a) eine Trägerplatte (2), deren Neigung zur Horizontalen be­ stimmt werden soll,
• b) mindestens zwei auf der Trägerplatte (2) integriert vorge­ sehene Drucksensoreinheiten (3) zur Bestimmung von auf die Trägerplatte (2) dort aufgebrachten Drücken,
• c) eine Masseplatte (4), die mit der Trägerplatte (2) über jede Drucksensoreinheit (3) verbunden ist und
• d) eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Neigung der Trä­ gerplatte (2) aus Ausgabedaten der Drucksensoreinheiten (3), wobei
• e) die Trägerplatte (2) eine Grundplatte (7) und eine darauf vorgesehene integrierte Schaltung (8) aufweist und
• f) die Auswerteeinheit in der integrierten Schaltung (8) vor­ gesehen ist.

2. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masseplatte (4) ei­ ne Basisplatte (5), vorzugsweise aus Silizium, die mit jeder Drucksensoreinheit (3) verbunden ist, und darauf eine Deck­ platte (6) aufweist.

3. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Deckplatte (6) eine oder mehrere Schichten einer aufgedampften oder durch Epitaxie aufgetragenen Substanz, insbesondere Metall, aufweist, deren spezifisches Gewicht größer ist als das der Substanz der Basisplatte (5).

4. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß einem der vorange­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Drucksensoreinheit (3) einen Drucksensor (9), der in der Trä­ gerplatte (2) integriert mit dieser verbunden ist, und einen Stutzen (10), der einerseits mit dem Drucksensor (9) und an­ dererseits mit der Masseplatte (4) verbunden ist, aufweist.

5. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Drucksensor (9) als piezoresistiver Druckaufnehmer ausgebildet ist.

6. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Drucksensor (9) als druckabhängige Kapazität ausgestaltet ist.

7. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die druckabhängige Kapa­ zität in Oberflächen-µ-Mechanik aufgebaut ist.

8. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß eine gängige, digitale Schnittstelle mit auf der integrierten Schaltung (8) vorgese­ hen ist.

9. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Schaltung zum elek­ trischen Abgleich der Drucksensoren (9) mit auf der inte­ grierten Schaltung (8) vorgesehen ist.

10. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß einem der vorange­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vier Drucksensoreinheiten (3) vorgesehen sind.

11. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drucksensoreinheiten (3) auf zwei sich im wesentlichen senkrecht schneidender Li­ nien angeordnet sind.

12. Mikromechanischer Neigungssensor gemäß einem der vorange­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Trägerplatte (2) mit dieser verbunden mindestens eine Überdruckstütze vorgesehen ist, auf der die Masseplatte (4) bei hohen Drücken abstützbar ist.

13. Neigungssensoranordnung umfassend mindestens zwei Nei­ gungssensoren (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.

14. Neigungssensoranordnung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungssensoren (1) derart angeordnet sind, daß ihre Achsen (14, 15) der Neigungsemp­ findlichkeit im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen.

15. Neigungssensoranordnung gemäß Anspruch 13 oder 14, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder Neigungssensor (1) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (13) oder Hybridschaltung vorgesehen ist.

16. Neigungssensoranordnung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Neigungssensoren (1) derart angeordnet sind, daß eine Neigungsmessung in zwei ver­ schiedenen Ebenen möglich ist.