DE4432837A1

DE4432837A1 - Beschleunigungssensor und Meßverfahren

Info

Publication number: DE4432837A1
Application number: DE4432837A
Authority: DE
Inventors: Jiri Dr Ing Dr Marek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-09-15
Filing date: 1994-09-15
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2014-09-16
Also published as: US5618989A; DE4432837B4; JPH08110355A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungssensor und einem Verfahren zum Betreiben eines Beschleunigungssensor nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Aus der WO92/03740 ist bereits ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem eine seismische Masse, die durch eine Beschleunigung auslenkbar ist, vorgesehen ist. Die seismische Masse weist bewegliche Elektroden auf, die gegenüber feststehenden Elektroden angeordnet sind. Durch die feststehenden Elektroden und die beweglichen Elektroden werden Kapazitäten gebildet, die als Differenzkapazitäten ausgebildet sind. Weiterhin ist außer dieser Schrift eine elektrische Lageregelung bekannt, durch die die seismische Masse im wesentlichen in ihrer Ausgangslage gehalten wird. Zu diesem Zweck werden an die Elektroden Spannungen angelegt, die die seismische Masse in der Ausgangslage halten. Als Signal für die Beschleunigung wird dann die Spannung ausgewertet, die notwendig ist, um die seismische Masse in der Ruhelage zu halten.

Aus dem deutschen Patent 41 33 426 ist bereits ein Beschleunigungssensor bekannt, bei dem neben einer Meßkapazität eine zusätzliche Meßkapazität vorgesehen ist, die für einen Selbsttest des Sensors verwendet wird.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, daß ein Selbsttest des Sensors auch während des normalen Meßbetriebs des Sensors möglich ist. Es kann so bestimmt werden, ob es sich beim Auftreten eines Beschleunigungssignals um einen echten Meßwert oder um eine fehlerhafte Funktion des Sensors oder der auswertenden Elektronik handelt. Besonders für sicherheitsrelevante Anwendungen des Beschleunigungssensors ist ein derartiges Verfahren wünschenswert.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Sensors möglich. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung einer Lageregelung, da so die Dynamik und Meßgenauigkeit des Sensors erhöht wird. Besonders einfach wird das Sensorelement durch die Verwendung einer seismischen Masse und Elektroden in Oberflächenmikromechanik hergestellt.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Sensorelement, Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 ein Diagramm, bei dem das Sensorsignals gegen die Zeit t aufgetragen ist und Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Sensor.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Fig. 1 wird eine Aufsicht auf einen Träger 1 gezeigt, auf dem ein Beschleunigungssensor angeordnet ist. Der Beschleunigungssensor weist eine seismische Masse 2 auf, die an dünnen Biegearmen 6 derart an Lagerblöcken 5 aufgehängt ist, daß die seismische Masse 2 durch eine Beschleunigung, die parallel zur Oberfläche des Trägers 1 ist (siehe Pfeil in Fig. 1), ausgelenkt werden kann. Der Nachweis dieser Beschleunigung erfolgt kapazitiv, indem aus der seismischen Masse 2 bewegliche Elektroden 3 herausstrukturiert sind, die gegenüberliegend von feststehenden Elektroden 4a und 4b angeordnet sind. Die beweglichen Elektroden 3 und die feststehenden Elektroden 4a und 4b bilden so jeweils zwei Plattenkondensatoren, deren Kapazität vom Abstand der Elektroden abhängt. Durch Messung der Kapazität zwischen den beweglichen Elektroden 3 und den feststehenden Elektroden 4a und 4b kann so die Auslenkung der seismischen Masse 2 bzw. die Beschleunigung bestimmt werden. Die beweglichen Elektroden 3 sind wie aus der Fig. 2 zu erkennen ist, jeweils zwischen zwei feststehenden Elektroden 4a und 4b angeordnet. Die feststehenden Elektroden 4a und 4b sind dabei jeweils an eigenen Lagerblöcken 5 aufgehängt, die gegeneinander isoliert sind.

Durch diese Anordnung wird somit eine Differenzkondensatoranordnung geschaffen, d. h. die bewegliche Elektrode 3 bildet mit den beiden feststehenden Elektroden 4a und 4b jeweils einen Kondensator, wobei sich die Kapazität des einen Kondensators erhöht, wenn die Kapazität des anderen Kondensators abnimmt. Weiterhin sind zusätzliche Elektroden 10 für einen Selbsttest vorgesehen. Die zusätzlichen Elektroden 10 sind ebenfalls an Lagerblöcken 5 aufgehängt. Die zusätzlichen Elektroden 10 können gegenüber den beweglichen Elektroden 3 oder den Biegeelementen 6 angeordnet sein. In beiden Fällen werden Kondensatoren mit der seismischen Masse 2 gebildet. Exemplarisch wird hier noch eine Auswerteschaltung 9 gezeigt, die durch Zuleitungen 8 mit den Lagerblöcken 5 verbunden ist. Derartige Zuleitungen sind zu allen feststehenden Elektrode 4a und 4b, allen weiteren Elektroden 10 und auch zur seismischen Masse 2 vorgesehen.

In der Fig. 2 wird ein Querschnitt durch den Sensor nach der Fig. 1 entlang der Linie II-II gezeigt. Wie zu erkennen ist, weist die seismische Masse 2 einen Abstand zum Träger 1 auf, so daß durch eine einfache Verbiegung der Biegeelemente 6 eine Auslenkung der seismischen Masse 2 ermöglicht wird, ohne daß diese durch Reibung mit dem Träger 1 behindert wird. Weiterhin sind die weiteren Elektroden 10, die an den Lagerblöcken 5 aufgehängt sind, zu erkennen. Die Lagerblöcke 5 sind auf einer isolierenden Schicht 7 angeordnet, so daß die Lagerblöcke 5 und somit auch die daran aufgehängten Elektroden 4, 10 und auch die daran aufgehängte seismische Masse 2 gegeneinander isoliert sind. Der Träger 1 besteht aus einkristallinem Silizium. Die seismische Masse 2, die Lagerblöcke 5, die Elektroden 3, 4, 10 und die Biegeelemente 6 bestehen aus polykristallinem oder einkristallinem Silizium. Alternativ zur Verwendung einer Isolationsschicht 7 kann auch das Siliziummaterial einen PN-Übergang zum Träger 1 aufweisen. Weiterhin können auch aufgebrachte Metallstrukturen, die auf Keramiksubstraten oder Siliziumsubstraten oder dergleichen angeordnet sind zur Ausbildung des Sensors verwendet werden.

Durch die Auswerteschaltung 9 wird die Beschleunigung, die auf den Sensor wirkt, gemessen. Im einfachsten Fall kann diese durch einen Vergleich der Kapazitäten der beiden Differenzkondensatoren erfolgen. Eine wesentlich bessere Methode der Messung der Beschleunigung besteht darin, die Differenzkondensatore für eine Lagerregelung der seismischen Masse heranzuziehen. Dazu werden an die feststehenden Elektroden elektrische Spannungen derart angelegt, daß die seismische Masse in einer Position verharrt, die der Ruhelage, d. h. der Position ohne Einwirkung einer Beschleunigung, entspricht. Die benötigten elektrischen Spannungen zum Regeln der Lage der seismischen Masse 2 stellen dann ein Maß für die Beschleunigung dar. Durch die Lageregelung wird die Meßbarkeit des Sensorsignals verbessert. Wenn an die weiteren Elektroden 10 ebenfalls eine elektrische Spannung angelegt wird, so wird durch diese elektrische Spannung eine Kraftwirkung auf die seismische Masse 2 bewirkt. Diese Kraftwirkung verursacht eine Auslenkung der seismischen Masse 2 bzw. eine entsprechende Nachregelung der Lageregelung der seismischen Masse 2. Durch Anlegen von elektrischer Spannung an den zusätzlichen Elektroden 10 kann somit eine scheinbare Beschleunigung erzeugt werden, die an der Auswerteschaltung 9 zu einem Signal führt. Auf diese Weise ist ein Funktionstest des Beschleunigungssensors und der Auswerteschaltung möglich möglich, ohne den Signalpfad der Schaltung 9 zu unterbrechen.

In der Fig. 1 werden eine Vielzahl von feststehenden Elektroden 4a, 4b und weiteren Elektroden 10 gezeigt. Prinzipiell ist der Beschleunigungssensor nach der Fig. 1 jedoch auch im Sinne der Erfindung funktionsfähig, wenn nur eine feststehende Elektrode und eine zusätzliche Elektrode vorgesehen sind. Es sind beliebige Kombinationen von feststehenden Elektroden 4a, 4b und weiteren Elektroden 10 möglich. Da durch elektrostische Kräfte nur eine Anziehung zwischen den Elektroden bewirkt werden kann, sollten jedoch Elektroden zu beiden Seiten der seismischen Masse angeordnet werden, um so eine Lageregelung bei Beschleunigungen in jede Richtung oder einen Selbsttest in jede Richtung zu ermöglichen.

In der Fig. 3 wird ein Diagramm gezeigt, bei der das Ausgangssignals der Schaltung 9 gegenüber der Zeit t aufgetragen ist. Zum Zeitpunkt t₀ erfolgt eine Beschleunigung, so daß das Ausgangssignals ansteigt. Um zu überprüfen, ob es sich bei dem Ausgangssignals nicht um eine fehlerhafte Funktion des Sensorelements oder der Auswerteschaltung 9 handelt, wird im Intervall Δt eine elektrische Spannung an eine der in Fig. 1 gezeigten weiteren Elektroden 10 angelegt. Diese Spannungen führen zu einer Veränderung des Signalpegels, der insbesondere am Anfang und Ende des Intervalls Δt durch eine besonders steile Signalflanke gekennzeichnet ist. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs, insbesondere durch Erkennen der steilen Flanken am Anfang oder am Ende des Zeitintervalles Δt und/oder der Höhe der Flanken kann so die Funktionstüchtigkeit des Sensorelements bzw. der Auswerteschaltung 9 überprüft werden. Besonders vorteilhaft ist ein derartiges Selbsttestverfahren bei Sensoren, die für Sicherheitskomponenten wie beispielsweise ein Airbag-Auslösegerät verwandt werden. Weiterhin kann das hier gezeigte Prinzip zur Verwendung von zusätzlichen Elektroden 10 auch bei einem Sensor verwendet werden, dessen eigentliches Sensorsignal aus einem Differenzkondensator erzeugt wird. Derartige Sensoren erlauben auch die Verwendung einer Lageregelung, wodurch die Meßbarkeit des Sensorsignals verbessert wird.

In der Fig. 4 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Sensor gezeigt. Gleichwirkende Elemente sind wieder mit den gleichen Bezugzeichen versehen. Im Unterschied zu der Fig. 1 sind hier zusätzliche Elektroden 10 vorgesehen, die als kammförmige Finger ausgebildet sind, die in entsprechend kammförmig ausgebildete bewegliche Elektroden 33 greifen. Die zusätzlichen Elektroden 10 bilden so Kondensatoren mit den beweglichen Elektroden 33. Im Unterschied zu der Fig. 1 wird jedoch hier die Kapazität nicht durch eine Veränderung des Plattenabstands sondern durch eine Veränderung der Überdeckungsfläche der beiden Elektroden verändert. Bei derartigen Kondensatoren ist die Kraftwirkung auf die seismische Masse eine lineare Funktion des angelegten elektrischen Potentials, was die Ansteuerung der entsprechenden Potentiale vereinfacht.

Claims

1. Kapazitiver Beschleunigungssensor mit mindestens einer beweglichen seismischen Masse (2), die durch eine Beschleunigung auslenkbar ist, wobei die seismische Masse (2) mindestens eine bewegliche Elektrode aufweist, die gegenüber mindestens einer feststehenden Elektrode (4a, 4b) angeordnet ist und mit dieser mindestens eine Meßkapazität bildet, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine weitere feststehende Elektrode (10) vorgesehen ist, daß an die weitere Elektrode (10) eine elektrische Spannung derart anlegbar ist, daß eine Kraftwirkung auf die seismische Masse (2) ausgeübt wird.

2. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung (9) vorgesehen ist, daß durch die Auswerteschaltung an die mindestens eine feststehende Elektrode (4a, 4b) elektrische Potentiale derart anlegbar sind, daß eine Kraftwirkung auf die seismische Masse bewirkt wird.

3. Kapazitiver Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (2) mittels Biegeelementen (6) an Lageblöcken (5) aufgehängt ist, daß die Lageblöcke (5) auf einem plattenförmigen Träger (1) verankert sind, und daß die mindestens eine feststehende Elektrode (4a, 4b) durch Lagerblöcke (5) auf dem plattenförmigen Substrat (1) verankert ist.

4. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine weitere Elektrode (10) gegenüber einer der beweglichen Elektroden (3, 33) angeordnet ist, und mit dieser mindestens einen Plattenkondensator bildet.

5. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Beschleunigung der seimischen Masse (2) der Abstand von beweglicher Elektrode (3) zu weiterer Elektrode (10) verändert wird.

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Beschleunigung der seimischen Masse die Überdeckung von beweglicher Elektrode (3) und weiterer Elektrode (10) verändert wird.

7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine weitere Elektrode (10) gegenüber einem Biegeelement (6) angeordnet ist und mit diesem mindestens einen Plattenkondensator bildet.

8. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse mindestens eine bewegliche Elektrode (3) aufweist, die zwischen zwei feststehenden Elektroden angeordnet ist und mit diesen mindestens zwei Meßkapazitäten bildet.

9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (2), die Biegeelemente (6), die Lageblöcke (5) und die Elektroden (4a, 4b, 3, 10) aus Silizium oder Metall ausgebildet sind.

10. Verfahren zum Betreiben eines Beschleunigungssensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Testsignal an die weiteren Elektroden (10) angelegt wird, und daß das Signal der Auswerteschaltung auf eine Reaktion auf dieses Testsignal hin überprüft wird.