WO2001004640A1 - Mikromechanischer drehbeschleunigungssensor - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a micromechanical rotational acceleration sensor.
- the sensor signals of the linear sensor structures in the evaluation IC are evaluated in two identical evaluation circuits and fed to a common circuit block, which is a sum or. Difference.
- position control of the linear sensor structures is provided.
- the bandwidth of the system can be significantly increased.
- FIG. 1 is a block diagram of a spin sensor as an embodiment of the present invention
- Each of the linear sensor structures 10, 20 consists of a bilaminar element made of two piezoelectric layers, the polarization direction of which is perpendicular to the beam axis. Said bending of the bars when an external acceleration occurs results in an electrical charge which can be tapped off on the upper and lower surface.
- charge signals are converted into voltage signals in corresponding circuits.
- a suitable selection of the direction of polarization it can be achieved that by a suitable combination, i.e. Sum or difference formation, the signals of the two linear sensor structures 10, 20 receive the translational acceleration and the rotational acceleration about the axis of rotation 5 simultaneously.
- FIG. 2 is a basic circuit diagram of the exemplary embodiment according to FIG. 1.
- the sensor signals are evaluated in two identical circuits x / u and fed to a common circuit block 110, which carries out the summation or difference formation.
- linear sensor structures 10, 20 can generally be created in surface or volume micromechanics and generally evaluated according to capacitive, piezoresistive or electrical or other principles.
- capacitive or piezoelectric surface micromechanics on silicon are preferred.
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Abstract
Die Erfindung schafft einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor mit einem Substratelement (1), auf dem ein mikromechanisches Sensorelement (3) in Form von zwei in einem definierten Abstand angeordneten Linearsensorstrukturen (10, 20) vorgesehen ist, wobei die Linearsensoren (10, 20) um eine gemeinsame Achse (5) drehbar sind; einem entweder in das Substratelement (1) oder in ein zusätzliches Substrat integrierten Auswerte-IC (100), der mit den Linearsensorstrukturen (10, 20) verbunden ist; wobei in dem Auswerte-IC (100) die Sensorsignale zum Erhalten eines Drehbeschleunigungssignals (Υ) auswertbar sind. Die Linearsensoren können als piezoelektrische Elemente ausgebildet sein; sie sind für lineare Beschleunigungen empfindlich.
Description
Mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor .
Obwohl auf beliebige mikromechanische Drehbeschleunigungs- sensoren anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in bezug auf einen an Bord eines Kraftfahrzeuges befindlichen mikromechanischen Drehbeschleunigungssensor erläutert.
Bisher werden zur Ermittlung einer Drehbeschleunigung im wesentlichen zwei Verfahren angewendet. Entweder wird das Signal eines Drehratensensors (= Drehgeschwindigkeitssen- sor) zeitlich differenziert, oder die Differenz zweier paralleler Linearbeschleunigungsaufnehmer wird normiert.
Drehratensensoren für z.B. die Fahrdynamikregelung eines Kraftfahrzeuges weisen jedoch nur eingeschränkte Meßberei- ehe auf (Füll Dynamic Range bei Radialbeschleunigung von
100 °/s und < 100 Hz Bandbreite) . Systeme mit höheren Bandbreiten (ca. 1000 Hz obere Grenzfrequenz bei magnetohydrodynamischem Sensor) sind teuer und nicht beliebig verkleinerbar .
Aus B. Bill and A.L. icks, Measuring Simultaneously Trans- lational and Angular Acceleration with the New Translatio- nal - Angular -Piezobeam (TAP) System, Sensors and Actua- tors, A21-A23 (1990), Seite 282-284 ist ein Sensor bekannt, der piezokeramischer Elemente aufweist, welche symmetrisch um eine Drehachse angeordnet sind. Mit einer solchen Anordnung ist es prinzipiell möglich, Linear- und Drehbeschleunigungen gleichzeitig zu erfassen.
Für meßtechnische Zwecke ist ein auf diesem Prinzip basierender piezokeramischer Sensor bekannt, der in einer externen Elektronik die Differenzbildung vornahm. Ein ähnlicher Sensor mit piezoelektrischen Polymerfolien hat neben einer geringen Genauigkeit auch eine eingeschränkte Bandbreite (Einsatz als Schockwächter in Festplattenlaufwerken) .
Als nachteilhaft bei den obigen bekannten Ansätzen hat sich also die Tatsache herausgestellt, daß sie eine niedrige Bandbreite aufweisen und hohe Herstellungskosten verursachen.
VORTEILE DER ERFINDUNG'
Der erfindungsgemäße mikromechanische Drehbeschleunigungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, daß ein Erfassen von Drehbeschleunigungen in einer oder mehreren Raumachsen mit hoher Bandbreite möglich ist. Durch die Reali-
sierung in Mikromechanik ist eine kleine Baugröße darstell¬ bar. Der Preis ist zwar abhängig von der geforderten Präzision und der Bandbreite, aber im Vergleich zu bekannten Sensoren ebenfalls niedrig.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß zwei in Mikromechanik dargestellte Linear- beschleunigungssensoren auf einem gemeinsamen Sensor- substrac durch einen darin integrierten IC (Integrated Circuir.) bzw. durch einen auf einem getrennten Substrat in enger räumlicher Nähe angeordneten IC ausgewertet werden .
Die für die Funktion notwendige Parallelität wird gewährleistet: durch die Präzision der Halbleiter-Lithografie . Durch die räumliche Nähe auf einem Substrat und die dadurch gleichmäßige Prozessierung (Ortsabhängigkeiten der z.B. Ätzprozesse werden eliminiert) und eine robuste Auslegung des Sensorelements bezüglich der Herstellprozesse sind die beiden Linearsensorstrukturen in ihren dynamischen Eigen- schafte weitgehend identisch. Dies vereinfacht den Abgleich oder erübrigt ihn sogar .
Durch die Verwendung eines gemeinsamen Auswerte-IC s für beide Linearsensorelemente kann auch hier vorteilhafterwei- se der gute Gleichlauf räumlich eng benachbarter Schal- tungsteile ausgenutzt werden.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Drehbeschleunigungssensors .
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind die Linearsensorstrukturen piezoelektrische Elemente, welche symmetrisch um eine Drehachse angeordnet und deren Meßrichtungen antiparallel sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Sensorsignale der Linearsensorstrukturen im Auswerte-IC in zwei identischen Auswerteschaltungen ausgewertet und einem gemeinsamen Schaltungsblock zugeführt, der eine Summenbzw. Differenzbildung vornimmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zur Erhöhung der Genauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber reinen Linearbeschleunigungen in einer oder beiden Auswerteschaltungen ein Empfindlichkeitsabgleich durchgeführt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Lageregelung der Linearsensorstrukturen vorgesehen. Dadurch kann bei einer hohen Grundempfindlichkeit die Bandbreite des Systems deutlich erhöht werden.
ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er- läutert .
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Drehbeschleunigungssen- sors als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.
BESCHREIBUNG DER AUSFUHRUNGSBEISPIELE
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Drehbeschleunigungs- sensors als Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
Auf einem Substratelement 1 (z.B. Silizium-Chip) ist ein Sensorelement 3 in Form von zwei in einem definierten Abstand angeordneten Linearsensorstrukturen 10, 20 vorgesehen. Die Linearsensorstrukturen 10, 20 sind beim Ausfüh- rungsbeispiel dargestellt sind als piezoelektrische Elemente, welche symmetrisch an einer Drehachse 5 angeordnet und deren Meßrichtungen antiparallel sind. Durch diesen Ausfbau ist eine Verbiegung der Linearsensorstrukturen 10, 20 um
die Drehachse 5 beim Auftreten einer äußeren Beschleunigung möglich.
Jede der Linearsensorstrukturen 10, 20 besteht aus einem bilaminaren Element aus zwei piezoelektrischen Schichten, deren Polarisationsrichtung senkrecht zur Balkenach.se verläuft. Die besagte Verbiegung der Balken beim Auftreten einer äußeren Beschleunigung resultiert in einer elektrischen Aufladung, welche an der oberen und unteren Oberfläche ab- greifbar ist.
Diese Ladungssignale werden in entsprechenden Schaltungen in Spannungssignale umgewandelt. Durch eine geeignete Auswahl der Polarisationsrichtung läßt sich erreichen, daß man durch eine geeignete Kombination , d.h. Summen- bzw. Differenzbildung, der Signaleder beiden Linearsensorstrukturen 10, 20 gleichzeitig die Translationsbeschleunigung als auch die Rotationsbeschleunigung um die Drehachse 5 erhält.
Für weitere Einzelheiten in diesem Zusammenhang sei auf den obigen Artikel von B. Bill and A.L. Wicks verwiesen.
Fig. 2 ist ein Prinzipschaltbild des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1.
Im Auswerte-IC 100, der über die Leitungen 50 mit den Linearsensorstrukturen 10, 20 verbunden ist, werden in zwei identischen Schaltungen x/u die Sensorsignale ausgewertet
und einem gemeinsamen Schaltungsblock 110 zugeführt, der die Summen- bzw. Differenzbildung vornimmt.
Dies kann z.B. durch einen Differenzverstärker erfolgen, wenn die Linearsensorstrukturen 10, 20 parallel ausgerichtet sind. Bei der hier verwendeten antiparallelen Ausrichtung werden die Einzelsignale durch den Schaltungsblock 110 addiert. Anschließend kann das so gewonnene Drehbeschleunigungssignal Θ noch gefiltert und verstärkt werden, bevor es ausgegeben wird.
Zur Erhöhung der Genauigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber reinen Linearbeschleunigungen kann in einer oder beiden Auswerteschaltungen ein Empfindlichkeitsabgleich durch- geführt werden. Durch eine Lageregelung der Sensorstrukturen kann bei einer hohen Grundempfindlichkeit die Bandbreite des Systems deutlich erhöht werden. Durch Rückkopplung wird das dynamische Verhalten weitgehend durch den IC 100 bestimmt mit dem Vorteil eines guten Gleichlaufes.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere können die Linearsensorstrukturen 10, 20 allgemein in Oberflächen- oder Volumenmikromechanik erstellt sein und allgemein nach kapazitiven, piezoresistiven oder elektrischen oder sonstigen Prinzipien ausgewertet werden.
Bevorzugt wird allerdings kapazitive oder piezoelektrische Oberflächen-Mikromechanik auf Silizium.
Claims
1. Mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor mit:
einem Substratelement (1), auf dem ein mikromechanisches
Sensorelement (3) in Form von zwei in einem definierten Abstand angeordneten Linearsensorstrukturen (10, 20) vorgesehen ist, wobei die Linearsensoren (10, 20) um eine gemeinsame Achse (5) drehbar sind; und
einem entweder in das Substratelement (1) oder in ein zusätzliches Substrat integrierten Auswerte-IC (100), der mit den Linearsensorstrukturen (10, 20) verbunden ist;
wobei in dem Auswerte-IC (100) die Sensorsignale zum Erhalten eines Drehbeschleunigungssignals (Θ) auswertbar sind.
2. Mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearsensor- Strukturen (10, 20) piezoelektrische Elemente sind, welche symmetrisch um eine Drehachse angeordnet und deren Meßrichtungen antiparallel sind.
3. Mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorsignale der Linearsensorstrukturen (10, 20) im Auswerte-IC (100) in zwei identischen Auswerteschaltungen (x/u) ausge- wertet und einem gemeinsamen Schaltungsblock (110) zugeführt, der eine Summen- bzw. Differenzbildung vornimmt.
4. Mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer oder beiden Auswerteschaltungen (x/u) ein Empfindlichkeits- abgleich durchführbar ist.
5. Mikromechanischer Drehbeschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lageregelung der Linearsensorstrukturen (10, 20) vorgesehen ist .
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