DE19822171A1

DE19822171A1 - Kapazitiver Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE19822171A1
Application number: DE19822171A
Authority: DE
Inventors: Christoph P Menzel
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1998-05-16
Publication date: 1998-12-17
Also published as: US5900550A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Sensoren mit relativ zueinan der bewegbaren Kondensatorplatten.

Es sind Beschleunigungssensoren mit einer bewegbaren Platte bekannt, welche oberhalb einer feststehenden Platte um eine Torsionsfeder drehbar ist. Infolge der Torsionseigenschaften der Feder wird bei Beschleunigungen eine Seite der bewegba ren Platte weiter von der feststehenden Platte wegbewegt, während sich die andere Seite der bewegbaren Platte näher zur feststehenden Platte hinbewegt. Der Trennabstand zwi schen den Platten kann durch eine Kapazitätsmessung nach Aufbringen einer Spannung zwischen der bewegbaren Platte und der feststehenden Platte bzw. auf dieser vorgesehenem Metall bestimmt werden.

Die beiden Kapazitätswerte, bezeichnet mit CA und CB, werden in ein elektrisches Signal umgewandelt. Eine Umwandlung bzw. Umformung einer mechanischen Größe in eine Kapazitanz bzw. Kapazität wird nachfolgend definiert durch den Wert DelC=(CA-CB)/(CA+CB). Die durch die zum Messen des Trennab standes zwischen den Platten eingesetzten Spannungen erzeug ten Kräfte haben eine merkbare Systemstörung zur Folge, was dazu führt, daß die endgültige stationäre Stellung der be wegbaren Platte durch jeweiligen den Wert der aufgebrachten Beschleunigung und der aufgebrachten Sensor- bzw. Abfrage spannungen bestimmt wird. Da die Spannungskraft dem Kehrwert des Plattenabstandes zum Quadrat, (1/Abstand)², proportional ist, ist die Größe der Spannungsauswirkung eine nichtkon stante und nichtlineare Funktion der aufgebrachten g-Kraft. Diese nichtkonstante Kraft wiederum führt zu einer nichtli nearen Beschleunigung DelC.

Als Festkörper bzw. monolithisch ausgebildete Mikrominiatur-Be schleunigungsmesser werden für eine Vielzahl von Verwen dungszwecken eingesetzt, so z. B. als Beschleunigungssensoren in Einrichtungen zum Sichern und Scharfmachen von Lenkwaf fen. Ein bekannter Festkörper-Beschleunigungsmesser weist eine von einem Siliziumträger gehaltene Masse auf, auf dem bzw. ein oder mehrere Piezowiderstands-Sensorelemente ausge bildet sind. Bei Beschleunigung hat die von dem Träger auf die Masse ausgeübte Rückstellkraft eine Beanspruchung im Sensorelement zur Folge. Der elektrische Widerstand des Sen sorelementes ändert sich mit der Beanspruchung. Die Wider standsänderung wird in einer Widerstandsbrückenschaltung un ter Verwendung eines oder zweier Sensorelemente in eine Dif ferenzspannung umgewandelt.

Zum weiterhin bekannten Stand der Technik gehören die US-PS 47 36 629 und die US-PS 50 28 876.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Linearität ei nes Sensors der eingangs genannten Art zu optimieren, ohne daß andere Funktionen des Sensors verändert werden. Bekannte Verfahren zum Ändern der Linearität haben nämlich erhebliche Auswirkungen auf andere Funktionsparameter des Sensors zur Folge. Mit dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung werden diese Probleme behoben.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein bewußter Versatz bzw. eine bewußte Ungleichheit der bei den Sensorkondensatoren in einem rückführungslosen, diffe rentiellen, kapazitiven Sensor vorgesehen, um dadurch Nicht linearitäten bei der Funktion zu kompensieren. Es wurde näm lich festgestellt, daß eine insoweit günstige Relation zwi schen dem vorgesehenen Versatz bzw. der vorgesehenen Un gleichheit und den Funktionen der Beschleunigungs- Sensoreinrichtung vorhanden ist. Bei der vorliegenden Erfin dung sind die Nennwerte zweier Kondensatoren CA und CB be wußt ungleich gehalten. Das Ungleichheitsverhältnis kann de finiert werden als CA/CB. Falls die beiden Kondensatoren si gnifikant unterschiedliche Werte aufweisen, bleibt sodann, wenn die Einrichtung kippt bzw. sich neigt, der Nenner (CA+CB) = (CA_nom + CB_nom + dCA-dCB) nicht konstant. Durch Aus wahl des Verhältnisses der Nennwerte von CA und CB kann bei vorhandener Sensor- bzw. Abfragespannung die Linearität von DelC gezielt bzw. durch die Bauart festgelegt werden.

Mit der Erfindung wird somit eine einfache Maßnahme zur Li nearisierung des Ausgangssignals eines Kondensator- bzw. ka pazitiven Sensors angegeben. Die vorliegende Erfindung eig net sich zu einem Einsatz bei einer großen Vielzahl von Sen soren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei spielshalber näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines kapazitiven Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf einen kapazitiven Sensor mit zugeordneter elektronischer Verarbeitung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht auf ein kapazitives Element eines Kondensatorsensors gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht des kapazitiven Elements gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Seiten-Querschnittsansicht eines kapazitiven Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Nichtlinearitäts fehlers gegen die aufgebrachte Beschleunigung bei unterschiedlichen, kapazitiven Plattengrößen-Un gleichheiten.

In Fig. 1 und 2 ist eine kapazitive Sensorbaugruppe 10 dar gestellt, die einen kapazitiven bzw. Kondensatorsensor, eine Interface-Elektronik 40 und eine Moduleingabe 50 zum Be- bzw. Verarbeiten von Information aufweist. Die Interface-Elek tronik 40 weist Bond-Anschlußfelder 41, 42, 43 und 44 auf, an die Metall-Bonddrähte 45, 46, 47 bzw. 48 angeschlos sen sind. Die Bonddrähte 45, 46, 47 und 48 sind an Bond- Anschlußflächen 21, 22, 23 und 24 auf dem Kondensatorsensor 20 angeschlossen. Der Kondensatorsensor 20 weist ein kapazi tives Element 25 auf, das mit einem Mittenabschnitt 26 und drei sich in eine erste Richtung erstreckenden Enden 27, 28 und 29 (CA) versehen ist. Gegenüber den drei Enden 27, 28 und 29 ist ein einzelnes, in eine entgegengesetzte Richtung verlaufendes Ende 30 (CD) vorgesehen. Der Mittenabschnitt 26 ist an den Rest des Teils 25 durch ein Paar von Torsionsträ gern bzw. -balken 31 und 32 angeschlossen, durch die es dem Rest des Teils 25 ermöglicht wird, sich in Bezug auf den Mittenabschnitt 26 zu verdrehen. Die unteren Flächen der En den 28 und 30 sind kapazitive Elektroden, die einem weiteren Satz von Elektroden, auf dem Glassubstrat 36 ausgebildeten Platten 34 und 35, gegenüberliegen.

Die Kondensatorplatte 34 ist durch eine Leitung 37 an die Bond-Anschlußfläche 21 angeschlossen. Das Mittenteil 26 ist an die Bond-Anschlußfläche 22 durch eine Leitung 38 ange schlossen. Die Kondensatorplatte 35 ist an die Bond-An schlußfläche 23 durch eine Leitung 39 angeschlossen.

In Fig. 3 ist eine vorbekannte, dem Gegenstand der Fig. 1 entsprechende Struktur bzw. Konstruktion dargestellt, wobei analoge Teile mit einer vorgestellten 1 numeriert sind. Da bei weist eine Kondensatorplatte 132 dieselbe Größe wie eine Kondensatorplatte 133 auf. Dies steht im Gegensatz zur vor liegenden Erfindung, die detaillierter in Fig. 4 dargestellt ist, bei der die Platte 34 größer als die Platte 35 ist. Die Ungleichheit zwischen den beiden Kondensatorplatten hat in vorteilhafter Weise eine Linearität im Sensorbetrieb zur Folge.

Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß der Mittenabschnitt 26 dicker ist als die Enden 27, 28, 29 und 30, so daß die Enden 27, 28, 29 und 30 einen Abstand zum Glassubstrat 36 aufwei sen und die Kondensatorplatte 28 mit Abstand von der Konden satorplatte 34 auf dem Glassubstrat 36 und die Kondensator platte 30 am Ende 30 mit Abstand von der Kondensatorplatte 35 auf dem Substrat 36 angeordnet ist.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, zeigt die graphische Darstellung des Nichtlinearitätsfehlers gegen die aufgebrachte Beschleu nigung für unterschiedliche kapazitive Plattengrößen-Un gleichheiten bei unterschiedlichen Ungleichheitsverhält nissen, daß eine Ungleichheit eine Verbesserung in Bezug auf ein Abstimmen der Kondensatorplatten bewirkt. Der Nichtline aritätsfehler stellt die Differenz zwischen dem aktuellen bzw. tatsächlichen Ausgangssignal der Sensoren bei einer Be schleunigung und der am besten passenden geraden Linie durch den Satz aller Ausgangssignal/Beschleunigungs-Datenpaare dar, wobei eine Nichtlinearität von Null erwünscht ist.

Die vor stehend beschriebene Ausführungsform kann bei Wand lern bzw. Umformern von in Kraftfahrzeug-Airbagsystemen ein gesetzten Beschleunigungsmessern angewendet werden. Obwohl Kraftfahrzeug-Linearitätsanforderungen nicht besonders streng sind (∼1% des Skalenendwerts), erfordern eine Massen herstellung und die bei der Kraftfahrzeugherstellung ange strebten Qualitätsstandards enge Toleranzen. Der Umformer ist als zentralgehaltene, kapazitive Einrichtung mit zwei Balken ausgebildet. Das Verhältnis schwere Masse/leichte Masse entspricht ungefähr dem Wert 3 : 1. Die Differentialkon densatoren sind durch unabhängige, stationäre Metallelektro den unter den schweren und den leichten Seiten der Einkri stall-Siliziumstruktur ausgebildet.

Die elektrische Schaltung des Interface erzeugt ein Delta-Sigma-Impulssignal, das proportional zu τ = (CA-CB)/(CA+CB) ist, wobei CA und CB die Kapazitätswerte der schweren bzw. der leichten Seite sind. Schaltende, auf die stationären Elektroden aufgebrachte Spannungspotentiale übertragen La dungen auf die/zur (von der/der) schwere/n (leichten) Seite des Elementes. Der Ladungsfluß wird von einem Delta-Sigma- Modulator erster Ordnung für die "Ladungsart" analysiert. Die Ausgangsfrequenz ist der gesamten übertragenen Ladungs menge proportional, die wiederum durch die Kapazität bzw. Kapazitanz von der durch die Beschleunigung verursachten Durchbiegung bzw. Ablenkung der Platte abhängig ist. Die Spannungsübergänge werden unter Verwendung eines EPOROM vor gegeben. Daher kann durch Vorgeben der Größe der Übergänge eine vollständige Kalibrierung für ein Null-g-Ausgangssignal und eine Null-g-Verstärkung erfolgen.

Das Sensorsystem bildet ein rückführungsloses System. Maxi male Durchbiegungen bzw. Ablenkungen und elektrische Ver stärkungsparameter sind derart ausgelegt, ein Arbeiten in dem 10%-Ablenkungsbereich bei einem 50 g-Skalenendwert er folgt. Zusätzlich erfordert die Systemarchitektur, daß der Wandler ein mechanisches Filtern im 400 Hz-Bereich bewirkt.

Die Quellen für das Auftreten von Nichtlinearität in einem differentiellen, kapazitiven Torsions- bzw. Drehsystem kön nen aufgelistet werden. Die hierzu vorrangig beitragenden Größen bzw. Elemente sind: 1) große Durchbiegungen bzw. Ab lenkungen, d. h. Abweichungen vom Hookeschen Gesetz, die nur aus der Größe der Durchbiegung bzw. Ablenkung resultieren; 2) die nichtlineare Beschaffenheit des ∂Cap/∂gap innerhalb eines Systems, bei dem ∂gap/∂accel linear ist; 3) Gleichtakt signale; und 4) systematische "Extra-Kräfte, z. B. Abfrage spannungskräfte.

Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung kann zur Errei chung verringerter Linearitätsfehler vorgesehen sein, daß der Kondensator der schweren Seite größer ausgeführt ist als der Kondensator der leichten Seite. Hierbei wird (CA+CB) nicht Null, selbst dann nicht, wenn keine Gleichtaktver schiebung auftritt. Wenn sich das Element durchbiegt, wird der Nenner von

größer. Somit wird die Gleichtaktdurch biegung bzw. -ablenkung dazu eingesetzt, um eine von der Ab fragespannung verursachte Nichtlinearität auszugleichen.

In der Praxis wird dadurch, daß die stationäre Metallplatte der schweren Seite eine gegenüber der Fläche des stationären Metalls der leichten Seite unterschiedliche Fläche aufweist, ein zufälliges Versatz- bzw. Ungleichheitsverhältnis er zielt. Eine Änderung in der Elementstruktur bzw. im Element aufbau ist nicht erforderlich. Daher bleiben die Wechsel strom-Ansprechempfindlichkeit und die Robustheit des Sensors sowie die Herstellungsvorgänge bei der Sensorherstellung un verändert. Ferner wird die Gleichstrom-Ansprechempfindlich keit des Sensors nicht reduziert. Auch das Signal/Rausch- Verhältnis wird nicht beeinträchtigt bzw. muß nicht be schränkt werden.

Modellversuche haben bestätigt, daß der Linearitätsfehler durch die erfindungsgemäß vorgesehene Maßnahme reduziert wird. Experimentell ist feststellbar, welcher ungefähre Un gleichheitsgrad bei vorgegebenen inhärenten Gleichtaktdurch biegungen bzw. -ablenkungen erforderlich ist, und daß weite re Ausgangssignale der Einrichtung nicht signifikant beein flußt werden. Das Modell wurde erstellt unter Verwendung ei nes Geometrie in ein Masse/Feder-System umwandelnden Compu termodells, welches den Kalibrierungsvorgang der Einrichtung durchführt und dann die Einrichtung bei verschiedenen Be schleunigungen "testet". Bei allen Berechnungen wurden Aus wirkungen der Abfragespannung berücksichtigt.

Durch eine versetzte bzw. ungleiche Kapazität wird der Line aritätsfehler um ungefähr 50% reduziert, ohne daß eine si gnifikante Änderung der Werte anderer Leistungsparameter be wirkt wird. Es sind keine Abstriche bzw. Kompromisse erfor derlich, um die Vorteile der Kapazitäts-Ungleichheit zu er halten. Ein vorteilhaftes Ungleichheitsverhältnis ist das Verhältnis in einem Bereich von ungefähr 1,2 bis ungefähr 1,3 (zu 1).

Claims

1. Beschleunigungsmesser mit einem Substrat (36);
einem Sensorelement (20) mit einem Metallteil;
Befestigungsmitteln (26, 31, 32) die zwischen dem Sen sorelement (20) und dem Substrat (36) so angeordnet sind, daß das Sensorelement (20) nahe dem Substrat (36) angeordnet ist, wobei eine Beschleunigung senkrecht zum Substrat (36) das Sensorelement (20) bewegen kann; und
Einrichtungen zum Abfragen der Bewegung des Sensorele mentes, die eine erste, auf dem Substrat (36) unterhalb des Sensorelementes (20) befestigte Metallelektrode (34) und eine zweite, elektrisch unabhängige Metallelektrode (35) aufweisen, die ebenfalls unter dem Sensorelement (20) befestigt ist, wobei die Größe der ersten und der zweiten Metallelektrode (34, 35) ungleich ist.

2. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet,
daß das Sensorelement (20) eine innere Öffnung aufweist; daß die Befestigungsmittel innerhalb der Öffnung zum Be festigen des Sensorelementes (20) so angeordnet sind, daß das Sensorelement (20) oberhalb des Substrats (36) angeordnet ist und um eine Torsionsachse drehbar ist, die oberhalb des Substrats (36) liegt und im wesentli chen parallel zu diesem verläuft, wobei die Befesti gungsmittel einen an dem Substrat befestigten Fuß (26) sowie flexible Halteeinrichtungen aufweisen, die das Sensorelement (20) und den Fuß (26) miteinander verbin den und die einen Träger (31, 32) aufweisen, der zwi schen dem Sensorelement (20) und dem Fuß (26) in einer Richtung parallel zum Sensorelement (20) und zum Sub strat (36) und senkrecht zur Torsionsachse verläuft, wo bei die Torsionsachse das Sensorelement (20) in einen ersten Abschnitt (28) auf einer Seite der Torsionsachse und in einen zweiten Abschnitt (30) auf der dem ersten Abschnitt (28) gegenüberliegenden Seite der Torsionsach se teilt und wobei die Gesamtmomente des ersten und des zweiten Abschnitts (28, 30) um die Torsionsachse zuein ander unterschiedlich sind, wodurch eine Beschleunigung senkrecht zum Substrat (36) das Sensorelement (20) um die Torsionsachse herum dreht; und
daß Einrichtungen zum Abfragen der Drehung des Sensorelementes (20) um die Torsionsachse einen ersten Kon densator, der von dem ersten Abschnitt (28) des Elements (20) und der ersten an dem Substrat (36) unter dem er sten Abschnitt (28) des Elementes (20) befestigten Me tallelektrode (34) gebildet ist, und einen zweiten Kon densator auf der dem ersten Kondensator gegenüberliegen den Seite der Torsionsachse aufweisen, wobei der zweite Kondensator von dem zweiten Abschnitt (30) des Elements (20) und der zweiten, an dem Substrat (36) unter dem zweiten Abschnitt (30) des Elementes (20) befestigten Metallelektrode (35) gebildet ist und die Größe des er sten und des zweiten Kondensators ungleich ist.

3. Beschleunigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß er ferner ein elektronisches Modul (50) zum Verarbeiten der von dem ersten und dem zweiten Kon densator empfangenen Signale aufweist.