WO2003104823A1 - Mehrachsiger monolithischer beschleunigungssensor - Google Patents

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WO2003104823A1
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sensor
seismic mass
axis
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Konrad Kapser
Ulrich Prechtel
Helmut Seidel
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Conti Temic Microelectronic Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a three- or two-axis monolithic acceleration sensor according to the preamble of patent claims 1 and 3.
  • the disadvantage here is that the misalignment between a main sensitivity axis and the normal to the substrate surface can only be set in a limited range of at most 20 °.
  • a micromechanical accelerometer is known from PCT application WO 89/05459, in which three micromechanical sensors, each sensitive to acceleration in a selected direction, are monolithically integrated in a crystal for detecting multi-dimensional movement changes.
  • the sensors consist of torsion bars with eccentrically attached masses that exert torques around the axes of the torsion bars when there are changes in movement.
  • the torques are measured using integrated piezoresistors.
  • This accelerometer has individual elements of different design principles with respect to the X and Y axes and the Z axis. This results in different properties with regard to sensitivity, frequency response or damping behavior. Furthermore, high demands are placed on the evaluation electronics, which almost excludes the use in vehicles.
  • the object of the invention is to design an acceleration sensor according to the preamble of claims 1 and 3 in such a way that a larger error angle can be set and the signals of the individual sensors can be evaluated quickly and easily.
  • claims 1 and 3 has the advantages that a larger and also ideal misalignment angle of 45 ° can be set and that the measuring principle aimed at planar, differential capacitive signal reading leads to particularly stable sensors.
  • the invention is particularly suitable for high-quality, offset-stable capacitive sensors for use in vehicles.
  • FIG. 1 a plan view of an acceleration sensor according to the invention, consisting of four identical individual sensors on a common substrate, 2 shows a sectional drawing through the arrangement according to FIG. 1 with two individual sensors and their seismic mass,
  • acceleration sensor 1 for three-axis measurement of accelerations, consisting of four identical individual sensors 2a,
  • Each individual sensor 2a-d has a seismic mass 3a, 3b, 3c and 3d with a center of gravity S a , S, S c and S d , each seismic mass 3a-d being eccentric with respect to its center of gravity S a , S, S c and S d is rotatably suspended on two torsion spring elements 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g and 4h.
  • Each torsion spring element 4a-g is in turn connected to an outer frame 5.
  • the outer frame 5 holds the four individual sensors 2a-d together and is divided by an intermediate frame 6.
  • An arrangement consisting of only two individual sensors 2a and 2c or 2b and 2d can be used as a sensor element for measuring biaxial accelerations; at least three of the four individual sensors 2a-d are required to measure three-axis accelerations.
  • Each individual sensor 2a-d is rotated by 90 °, 180 ° and 270 °, generally a multiple of 90 °, in relation to the three other individual sensors 2a-d.
  • redundant information is available which enables a permanent consistency check of the output signals.
  • the acceleration sensor 1 of FIG. 1 is shown in section AA.
  • a disk made of silicon and structured in a known micromechanical manner is arranged as a common substrate 8 of the four individual sensors 2a-d between a lower cover disk 7 and an upper cover disk 9 and is bonded to this, for example, by wafer bonding. sen connected, wherein the lower cover plate 7 and the upper cover plate 9 also consist of silicon.
  • the seismic masses 2a-d of the individual sensors 3a-d, the torsion spring elements 4a-h and the intermediate frame 6 are structured in the disk 8 by means of an etching process.
  • Each seismic mass 3a-d has a main sensitivity axis 11 running through the respective center of gravity S a , S, S c and S d , shown on the individual sensor 2b with the main sensitivity axis 11b and analogously applicable to the individual sensors 2a, 2c and 2d, the direction of which follows the soapy suspension of the seismic mass 3b and due to the outsourced center of gravity S b does not run parallel to a respective normal 12b.
  • the suspension of the seismic mass 3b at two torsion spring elements 4c, 4d results in a b axis of rotation D, the seismic mass 3b rotates around the link action of an accelerating force. If the distance between the axis of rotation D b and the center of gravity S in the X direction is referred to as the distance a and the distance between the axis of rotation D b and the center of gravity S in the Z direction is the distance b, the error angle ⁇ is calculated as follows:
  • the misalignment angle einstellen can be adjusted over wide limits via the design of each seismic mass 3. Due to the identical structure, the error angle ⁇ is the same for all individual sensors 2a-d; suitable values for the misalignment ⁇ can be freely set, also a misalignment ⁇ of 45 ° as an ideal case in the orthogonal coordinate system. The principle is also general nerbar, so that the individual sensors 2a-d can have different error angles ⁇ .
  • the main sensitivity axis 11b is broken down into a component 13b parallel to the normal 12b and into a component 14b perpendicular to the normal 12b.
  • FIG. 3a shows the deflection of the seismic masses 3b and 3d of the individual sensors 2b and 2d according to FIG. 2 as a result of an accelerating force acting in the X direction, which is represented by an arrow 15.
  • the decomposition of the accelerating force 15 results in a component 16 on the straight line through D d and S d and a component 17 perpendicular to it.
  • the component 17 results in rotational movement of the seismic mass 3b and 3d about the rotational axis b D d which is detected by differential capacitive measurement by means of the metallic surfaces 10a and 10b or 10c and 10d D respectively.
  • the magnitude of the accelerating force 15 acting on the sensor 1 is calculated using trigonometric equations.
  • 3b shows the deflection of the seismic masses 3b and 3d of the individual sensors 2b and 2d according to FIG. 2 as a result of an accelerating force acting in the Z direction, represented by an arrow 19.
  • the accelerating force is broken down Force 19 has a component 20 on the straight line through D d and S d and a component 21 perpendicular to it.
  • the component 21 results in rotational movement of the seismic mass 3b and 3d to the axis of rotation D and D d that is in turn detected by differential capacitive measurement by means of the metallic surfaces 10a and 10b or 10c and 10d.
  • the magnitude of the accelerating force 19 acting on the sensor 1 is calculated using trigonometric equations.
  • the rotational movement of the seismic mass 3b or 3d about the axis of rotation D b or D d is in opposite directions according to an arrow 22 or 23.
  • the rotational movement of the seismic mass 3a (FIG. 1) is opposite to the rotational movement of the seismic mass 3c.

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Abstract

Mehrachsiger monolithischer Beschleunigungssensor bestehend aus mehreren, auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Einzelsensoren mit jeweils einer Hauptempfindlichkeitsachse. Jeder Einzelsensor ist an zwei Torsionsfederelementen drehbeweglich aufgehängt und weist eine seismische Masse mit einem Schwerpunkt auf. Jeder Einzelsensor weist Mittel zur Messung der Auslenkung der seismischen Masse auf. Der Beschleunigungssensor besteht aus wenigstens drei identischen Einzelsensoren, wobei jeder Einzelsensor exzentrisch gegenüber seinem Schwerpunkt aufgehängt und gegenüber den anderen Einzelsensoren um 90°, 180° oder 270° gedreht ist. Die Erfindung eignet sich für hochwertige, offsetstabile kapazitive Sensoren zum Einsatz in Fahrzeugen.

Description

Mehrachsiger monolithischer Beschleuniqunqssensor
Die Erfindung betrifft einen drei- bzw. zweiachsigen monolithischen Be- schieunigungssensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 3.
Aus der US-Patentschrift US 6 122 965 A bzw. aus der korrespondierenden deutschen Patentschrift DE 196 49 715 C2 ist eine Anordnung zum Messen von Beschleunigungen bekannt, die aus vier einzelnen, auf einem gemeinsamen Substrat in einem Rechteck angeordneten Einzelsensoren mit jeweils einer HauptempfJndJJchkeJtsacbse besteht Jeder EinzeJsensor weist ein Paddel mit einem Schwerpunkt als seismische Masse auf. Die Hauptempfindlichkeitsachsen der jeweiligen Einzelsensoren weisen jeweils einen Fehlwinkel zur Normalen der Substratoberfläche auf. Die Richtung jeder Rechteckseite und die zugehörige Hauptempfindlichkeitsachse spannen jeweils eine Ebene auf und die Ebenen der auf einer Diagonale liegenden Einzelsensoren sind einander zugeneigt.
Nachteilig hierbei ist, dass der Fehlwinkel zwischen einer Hauptempfindlichkeitsachse und der Normalen zur Substratoberfläche nur in einem begrenzten Bereich von höchstens 20° einstellbar ist.
Aus der PCT-Anmeldung WO 89/05459 ist ein mikromechanischer Beschleunigungsmesser bekannt, bei dem zur Erfassung mehrdimensionaler Bewegungsänderungen drei jeweils für die Beschleunigung in einer ausgewählten Richtung empfindliche mikromechanische Sensoren monolithisch in einem Kristall integriert sind. Die Sensoren bestehen aus Torsionsbalken mit exzent- risch angebrachten Massen, die bei Bewegungsänderungen Drehmomente um die Achsen der Torsionsbalken ausüben. Die Drehmomente werden mit Hilfe integrierter Piezowiderstände gemessen. Dieser Beschleunigungsmesser weist Einzelelemente unterschiedlicher Konstruktionsprinzipien in Bezug auf die X- und Y-Achse bzw. die Z-Achse auf. Daraus ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Empfindlichkeit, Frequenzgang oder Dämpfungsverhalten. Ferner werden hohe Anforde- rungen an die Auswerteelektronik gestellt, was den Einsatz in Fahrzeugen nahezu ausschließt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3 so zu gestalten, dass ein größerer Fehlwinkel einstellbar ist und die Signale der Einzelsensoren schnell und einfach ausgewertet werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen drei- bzw. zweiachsigen monolithischen Beschleunigungssensor mit den- im Anspruch 1 bzw. 3 angegebenen Merkmalen.
Der Gegenstand des Anspruchs 1 bzw. 3 weist die Vorteile auf, dass ein grö- ßerer und auch idealer Fehlwinkel von 45° einstellbar ist und das auf planare, differentielle kapazitive Signalauslesung ausgerichtete Messprinzip zu besonders stabilen Sensoren führt.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für hochwertige, offsetstabile kapazitive Sensoren zum Einsatz in Fahrzeugen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Beschleunigungssensors nach Anspruch 1 bzw. 3 sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 : eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor, bestehend aus vier identischen Einzelsensoren auf einem gemeinsamen Substrat, Fig. 2: eine Schnittzeichnung durch die Anordnung nach Fig. 1 mit zwei Einzelsensoren und deren seismischer Masse,
Fig. 3a: die Auslenkung der seismischen Massen der Einzelsensoren nach Fig. 2 in Folge einer in X-Richtung wirkenden beschleunigenden Kraft und
Fig. 3b: die Auslenkung der seismischen Massen der Einzelsensoren nach Fig. 2 in Folge einer in Z-Richtung wirkenden beschleunigenden Kraft.
Die Fig. 1 zeigt einen Beschleunigungssensor 1 zur dreiachsigen Messung von Beschleunigungen, bestehend aus vier identischen Einzelsensoren 2a,
2b, 2c und 2d. Jeder Einzelsensof 2a-d weist eine seismische Masse 3a, 3b, 3c bzw. 3d mit einem Schwerpunkt Sa, S , Sc und Sd auf, wobei jede seismische Masse 3a-d exzentrisch gegenüber ihrem Schwerpunkt Sa, S , Sc und Sd an zwei Torsionsfederelementen 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g bzw. 4h dreh- beweglich aufgehängt ist. Jedes Torsionsfederelement 4a-g ist seinerseits wiederum mit einem Außenrahmen 5 verbunden. Der Außenrahmen 5 hält die vier Einzelsensoren 2a-d zusammen und ist durch einen Zwischenrahmen 6 unterteilt.
Eine aus lediglich zwei Einzelsensoren 2a und 2c bzw. 2b und 2d bestehen- de Anordnung kann als Sensorelement zur Messung von zweiachsigen Beschleunigungen verwendet werden; zur Messung von dreiachsigen Beschleunigungen werden wenigstens drei der vier Einzelsensoren 2a-d benötigt. Jeder Einzelsensor 2a-d ist gegenüber den drei anderen Einzelsensoren 2a-d um 90°, 180° und 270°, allgemein ein Vielfaches von 90°, gedreht. Bei der Verwendung aller vier Einzelsensoren 2a-d ist eine redundante Information vorhanden, die eine permanente Konsistenzprüfung der Ausgangssignale ermöglicht.
In Fig. 2 ist der Beschleunigungssensor 1 der Fig. 1 im Schnitt A-A dargestellt. Eine aus Silizium bestehende und auf bekannte mikromechanische Weise strukturierte Scheibe ist als gemeinsames Substrat 8 der vier Einzelsensoren 2a-d zwischen einer unteren Deckscheibe 7 und einer oberen Deckscheibe 9 angeordnet und beispielsweise durch Wafer-Bondung mit die- sen verbunden, wobei die untere Deckscheibe 7 und die obere Deckscheibe 9 ebenfalls aus Silizium bestehen. Mittels eines Ätzprozesses sind in die Scheibe 8 die seismischen Massen 2a-d der Einzelsensoren 3a-d, die Torsionsfederelemente 4a-h und der Zwischenrahmen 6 strukturiert.
Auf der Innenseite der oberen Deckscheibe 9 sind über jeder seismischen Masse 3 und vorzugsweise symmetrisch zur vom jeweiligen Torsionsfederelement 4 definierten Torsionsachse metallisierte, von einander isolierte Flächen 10a, 10b, 10c und 10d strukturiert, die zur differentiellen kapazitiven Messung der Drehbewegung einer seismischen Masse 3 beim Einwirken ei- ner Beschleunigungskraft dienen.
Jede seismische Masse 3a-d weist eine durch den jeweiligen Schwerpunkt Sa, S , Sc und Sd verlaufende Hauptempfindlichkeitsachse 11 auf, dargestellt am Einzelsensor 2b mit der Hauptempfindlichkeitsachse 11b und analog geltend für die Einzelsensoren 2a, 2c und 2d, deren Richtung infolge der ein- seifigen Aufhängung der seismischen Masse 3b und infolge des ausgelagerten Masseschwerpunkts Sb nicht parallel zu einer jeweiligen Normalen 12b verläuft.
Die Aufhängung der seismischen Masse 3b an zwei Torsionsfederelementen 4c, 4d ergibt eine Drehachse Db, um den sich die seismische Masse 3b beim Einwirken einer beschleunigenden Kraft dreht. Bezeichnet man den Abstand zwischen der Drehachse Db und dem Schwerpunkt S in X-Richtung als Abstand a und den Abstand zwischen der Drehachse Db und dem Schwerpunkt S in Z-Richtung als Abstand b, so berechnet sich der Fehlwinkel Φ folgendermaßen:
b tan Φ = . a
Der Fehlwinkel Φ lässt sich über die Gestaltung jeder seismischen Masse 3 über weite Grenzen einstellen. Aufgrund des identischen Aufbaus ist der Fehlwinkel Φ bei allen Einzelsensoren 2a-d gleich groß; geeignete Werte für den Fehlwinkel Φ sind frei einstellbar, auch ein Fehlwinkel Φ von 45° als Idealfall im orthogonalen Koordinatensystem. Das Prinzip ist auch verallgemei- nerbar, so dass die Einzelsensoren 2a-d unterschiedliche Fehlwinkel Φ aufweisen können.
Um in X-, Y- und Z-Richtung wirkende Beschleunigungskräfte messen zu können, wird die Hauptempfindlichkeitsachse 11b in eine Komponente 13b parallel zur Normalen 12b und in eine Komponente 14b senkrecht zur Normalen 12b zerlegt.
Die zum Einzelsensor 2b gemachten Aussagen gelten analog auch für die Einzelsensoren 2a, 2c und 2d. Da die Einzelsensoren 2a-d und insbesondere die seismischen Massen 3a-d bedingt durch den Herstellungsprozeß weitge- hend gleiche geometrische Abmessungen aufweisen, ist jeweils ihre Empfindlichkeit in X-Richtung, ihre Empfindlichkeit in Y-Richtung und ihre Empfindlichkeit in Z-Richtung ebenfalls weitgehend gleich.
Fig. 3a zeigt die Auslenkung der seismischen Massen 3b und 3d der Einzelsensoren 2b und 2d nach Fig. 2 in Folge einer in X-Richtung wirkenden be- schleunigenden Kraft, die durch einen Pfeil 15 dargestellt ist. Das Zerlegen der beschleunigenden Kraft 15 ergibt eine Komponente 16 auf der Geraden durch Dd und Sd und eine Komponente 17 senkrecht dazu. Die Komponente 17 führt zu einer Drehbewegung der seismischen Masse 3b bzw. 3d um die Drehachse Db bzw. Dd, die durch differentielle kapazitive Messung mittels der metallischen Flächen 10a und 10b bzw. 10c und 10d detektiert wird. Durch trigonometrische Gleichungen wird die Größe der auf den Sensor 1 einwirkenden beschleunigenden Kraft 15 berechnet.
Bei einer in X-Richtung wirkenden beschleunigenden Kraft 15 ist die Drehbewegung der seismischen Masse 3b bzw. 3d um die Drehachse D bzw. Dd gemäß eines Pfeiles 18 gleichsinnig, die seismischen Massen 3a und 3c (Fig. 1) erfahren keine Drehbewegung.
Bei einer in Y-Richtung wirkenden beschleunigenden Kraft erfahren die seismischen Massen 3a bzw. 3c eine Drehbewegung um die Längsachse der Torsionselemente 4a und 4b bzw. 4e und 4f, hingegen erfahren in diesem Fall die seismischen Massen 3b bzw. 3d keine Drehbewegung um ihre Drehachse Db bzw. Dd. Fig. 3b zeigt die Auslenkung der seismischen Massen 3b und 3d der Einzelsensoren 2b und 2d nach Fig. 2 in Folge einer in Z-Richtung wirkenden beschleunigenden Kraft, dargestellt durch einen Pfeil 19. Analog zum Beispiel der Fig. 3a ergibt das Zerlegen der beschleunigenden Kraft 19 eine Kompo- nente 20 auf der Geraden durch Dd und Sd und eine Komponente 21 senkrecht dazu. Die Komponente 21 führt zu einer Drehbewegung der seismischen Masse 3b bzw. 3d um die Drehachse D bzw. Dd, die wiederum durch differentielle kapazitive Messung mittels der metallischen Flächen 10a und 10b bzw. 10c und 10d detektiert wird. Durch trigonometrische Gleichungen wird die Größe der auf den Sensor 1 einwirkenden beschleunigenden Kraft 19 berechnet.
Bei einer in Z-Richtung wirkenden beschleunigenden Kraft 19 ist die Drehbewegung der seismischen Masse 3b bzw. 3d um die Drehachse Db bzw. Dd gemäß eines Pfeiles 22 bzw. 23 gegensinnig. Zudem ist die Drehbewegung der seismischen Masse 3a (Fig. 1) gegensinnig zur Drehbewegung der seismischen Masse 3c.

Claims

Patentansprüche
1. Dreiachsiger monolithischer Beschleunigungssensor (1), der folgende Merkmale aufweist: a) der Beschleunigungssensor (1) besteht aus mehreren, auf einem gemeinsamen Substrat (8) angeordneten Einzelsensoren (2a-d) mit jeweils einer Hauptempfindlichkeitsachse (11), b) jeder Einzelsensor (2a-d) ist an zwei Torsionsfederelementen (4a-h) dreh- beweglich aufgehängt und weist eine seismische Masse (3a-d) mit einem
Schwerpunkt (Sa, Sb, Sc, Sd) auf, c) jeder Einzelsensor (2a-d) weist Mittel zur Messung (10) der Auslenkung der seismischen Masse (3a-d) auf, dadurch gekennzeichnet, dass d) der Beschleunigungssensor (1) aus wenigstens drei identischen Einzelsensoren (2a-d) besteht, e) jeder Einzelsensor (2a-d) exzentrisch gegenüber seinem Schwerpunkt (Sa, Sb, Sc, Sd) aufgehängt und f) gegenüber den anderen Einzelsensoren (2a-d) um 90°, 180° oder 270° ge- dreht ist.
2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens drei identischen Einzelsensoren (2a-d) in einem Rechteck angeordnet sind.
3. Zweiachsiger monolithischer Beschleunigungssensor (1), der folgende Merkmale aufweist: a) der Beschleunigungssensor (1) besteht aus zwei, auf einem gemeinsamen Substrat (8) angeordneten Einzelsensoren (2a-d) mit jeweils einer Hauptempfindlichkeitsachse (11), b) jeder Einzelsensor (2a-d) ist an zwei Torsionsfederelementen (4a-h) drehbeweglich aufgehängt und weist eine seismische Masse (3a-d) mit einem Schwerpunkt (Sa, Sb) Sc, Sd) auf, c) jeder Einzelsensor (2a-d) weist Mittel zur Messung (10) der Auslenkung der seismischen Masse (3a-d) auf, dadurch gekennzeichnet, dass d) der Beschleunigungssensor (1) aus zwei identischen Einzelsensoren (2a- d) besteht, e) jeder Einzelsensor (2a-d) exzentrisch gegenüber seinem Schwerpunkt (Sa, Sb, Sc, Sd) aufgehängt und gegenüber dem anderen Einzelsensor (2a-d) um
180° gedreht ist und f) die Hauptempfindlichkeitsachse (11) des einen Einzelsensors (2a-d) vertikal zum Substrat (8) und die Hauptempfindlichkeitsachse (11) des anderen Einzelsensors (2a-d) vertikal zum Substrat (8) verläuft.
4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (8) zur Abdichtung und zum Schutz vor Umwelteinflüssen zwischen einer unteren Deckscheibe (7) und einer oberen Deckscheibe (9) angeordnet ist.
5. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Auslenkung jeder seismischen Masse (3a-d) mittels einer differentiellen kapazitiven Messung erfolgt.
6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur differentiellen kapazitiven Messung an der oberen Deckscheibe (9) in der Nähe der durch das jeweilige Torsionsfederelement (4a-h) definierten Torsi- onsachse metallisierte und von einander isolierte Flächen (10a-d) strukturiert sind.
7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen (10a-d) symmetrisch zu der durch das jeweilige Torsionsfederelement (4a-h) definierten Torsionsachse angeordnet sind.
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