DE4432837A1 - Beschleunigungssensor und Meßverfahren - Google Patents
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Description
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.
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.
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.
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 (10)
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.
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