WO2005088317A1

WO2005088317A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: WO2005088317A1
Application number: PCT/EP2005/051213
Authority: WO
Inventors: Peter Lohberg; Alexander Kolbe; Bernhard Hartmann
Original assignee: Continental Teves Ag & Co.Ohg
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2005-09-22
Also published as: EP1725880A1; US20080039992A1

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung zur Erfassung von Bewegungen vor- geschlagen, die als monolithische Anordnung ausgeführt ist und in der mehrere Sensoren integriert sind. Ein erster Sensor ist zur Erfassung einer linearen Beschleunigung vorgesehen und ein zweiter Sensor zur Erfassung einer Drehrate. Schliesslich umfasst die Sensoranordnung einen dritten Sensor zur Erfassung einer Drehbeschleunigung.

Description

Sensoranordnung

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung von Bewegungen, die als monolithische Anordnung ausgeführt ist.

Bei Fahrstabilitätsregelungen (ESP) zur Kontrolle und Begren- zung von unerwünschten Gierbewegungen des Fahrzeuges um dessen Hochachse werden mit Hilfe von Sensoren wesentliche durch den Fahrer willentlich veränderbare Größen gemessen. Zu den vom Fahrer veränderbaren Größen gehören der Lenkwinkel, die Gaspedalstellung, der Bremsdruck, die Querbeschleunigung des Fahr- zeuges sowie die Drehgeschwindigkeit der einzelnen Fahrzeugräder. Aus den gemessenen Größen wird eine Sollgierrate errechnet. Gleichzeitig wird mit einem Gierratensensor der Istwert der Gierrate gemessen, der sich als Reaktion auf das Fahrmanöver einstellt. Weicht der Istwert der Gierrate von dem borech- neten Sollwert der Gierrate über ein vorbestimmtes, die Fahrstabilität gefährdendes Maß ab, wird durch gezielten Brems- und Motoreingriff die Gierbewegung des Fahrzeuges und damit die Istgierrate auf zulässige Werte begrenzt.

Neben Fahrstabilitätsregelungen dienen Insassenschutzeinrichtungen dazu, die Sicherheit von Insassen in einem Kraftfahrzeug zu erhöhen. Bei einer erheblichen Anzahl von Unfällen ist lediglich ein Kraftfahrzeug beteiligt. Zu tödlichen Verletzungen kommt es bei dieser Art von Unfällen meistens dann, wenn sich das Kraftfahrzeug bei dem Unfall um seine

Längsachse überschlägt. Insbesondere bei Cabriolets kann ein Fahrzeugüberschlag fatale Folgen haben. Aus diesem Grund sind für Cabriolets Insassenschutzeinrichtungen bekannt, die einen Überlebensraum für die Fahrzeuginsassen gewährleisten, damit diese bei einem Überschlag nicht mit dem Untergrund direkt in Berührung kommen. Ein Überrollbügel, der sich über den Köpfen der Fahrzeuginsassen erstreckt, erfüllt diesen Zweck. Aller- dings wird bei Cabriolets der ästhetische Eindruck durch einen feststehenden Überrollbügel erheblich beeinträchtigt. Aus diesem Grund sind bei einigen Cabriolets Schutzeinrichtungen vorgesehen, die im Normalfall in den Fahrzeugsitzen oder hinter den Fahrzeugsitzen versteckt sind und erst im Falle eines dro- henden Überschlages ausgefahren werden und dann ihre Schutzfunktion erfüllen. Die rechtzeitige Auslösung einer solchen Schutzeinrichtung setzt die rechtzeitige Erkennung eines drohenden Überrollvorganges voraus .

Aus der DE 101 23 215 AI ist ein Verfahren für eine Aktivierung einer Insassenschutzeinrichtung in einem Kraftfahrzeug bekannt, welches unter anderem wesentlich auf der Messung der Drehbeschleunigung des Kraftfahrzeuges um dessen Fahrzeuglängsachse beruht.

Darüber hinaus ist aus der DE 199 62 687 C2 ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Winkelbeschleunigung eines sich um seine Längsachse drehenden Kraftfahrzeuges bekannt. Das bekannte Verfahren berechnet die Winkelbeschleunigung aus der Differenz der erfassten Beschleunigungen und der zur Drehachse senkrechten Komponente eines Entfernungsvektors .

Aus der DE 199 22 154 C2 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen e- lektrischer Signale bekannt, die die Giergeschwindigkeit, die Beschleunigung und die Wankgeschwindigkeit der Fahrzeugkaros- serie repräsentieren. Wesentliche Komponenten dieser bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind Sensoranordnungen, die lineare Geschwindigkeiten und -beschleunigungen erfassen sowie Drehraten und Drehbeschleunigungen um unterschiedliche Achsen eines fahrzeugfesten Initialsystems. Um Herstellungskosten zu begrenzen, werden solche Sensoranordnungen als mikromechanische Systeme aus Silizium hergestellt. Die monolithische Ausbildung von Beschleunigungssensoren für zwei oder drei Raumrichtungen ist im Stand der Technik bekannt. Kommerziell erhältlich sind solche Senso- ren beispielsweise von den Herstellern VTI und Kionix.

Darüber hinaus ist aus dem US-Patent 5,313,835 eine monolithische Anordnung beschrieben, die aus einem zweiaxialen Gyroskop, einem einaxialen Gyroskop, einem dreiaxialen Linearbe- schleunigungssensor und einer Mikroprozessorelektronik besteht. Das zweiaxiale Gyroskop und das einaxiale Gyroskop ergänzen sich zu einem in drei Raumrichtungen messenden Gyroskop. Die bekannte Sensoranordnung ist dazu geeignet, in drei Raumrichtungen Drehraten und Linearbeschleunigungen zu messen.

Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Sensoranordnung vorzuschlagen, die gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur Erfassung von Bewegungen ist als monolithische Anordnung ausgeführt, in welcher mehrere Sensoren integriert sind. Ein erster Sensor ist zur Erfassung einer linearen Beschleunigung vorgesehen und ein zweiter Sensor zur Erfassung einer Drehrate. Erfindungsgemäß ist die Sensoranordnung dadurch gekennzeichnet, dass sie einen dritten Sensor zur Erfassung einer Drehbeschleunigung umfasst. Mit Vorteil kann die Sensoranordnung auf einem einkristallinen Substrat ausgebildet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das einkristalline Substrat aus Silizium. Der Vorteil hierbei ist, dass Siliziumtechnologie ausgereift ist, so dass zu günstigen Kosten qualitativ hochwertige Sensoren herstellbar sind.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Sensoren als mikromechanische Strukturen in dem Substrat ausgebildet.

Gemäß einer weiteren Ausbildung ist vorteilhaft vorgesehen, dass alle oder einzelne Sensoren und Auswerteschaltungen mittels Flip-Chip Technologie oder Kleben, Löten und Drahtbonden mit dem Substrat verbunden und kontaktiert werden

Bei einer Anwendung im Automobilbereich hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Sensoren auf dem Substrat so ausgerichtet sind, dass sie bei einer entsprechenden Einbaulage in ein Kraftfahrzeug geeignet sind, die lineare Be- schleunigung in Längsrichtung des Kraftfahrzeuges, die Gierrate sowie die Rollbeschleunigung um die Längsachse des Kraftfahrzeuges zu messen. Die Gierrate ist eine wichtige Eingangsgröße für Fahrdynamikregelungen, während die Rollbeschleunigung häufig die Auslösung von Insassenschutzsystemen steuert, die eingangs beschrieben worden sind.

Bei einer optionalen Weiterbildung der Erfindung weist die Sensoranordnung einen vierten Sensor auf, der zur Erfassung einer linearen Beschleunigung geeignet und so auf dem Substrat ausgerichtet ist, dass er in der Lage ist, zusätzlich eine lineare Beschleunigung quer zur Fahrzeuglängsachse zu messen. Die Querbeschleunigung ist eine weitere nützliche Eingangsgröße für Fahrdynamikregelungen. Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sen- soranordnung kann die Messrichtung der Sensoren in der von dem Substrat aufgespannten Hauptebene liegen, während bei einer anderen Ausführungsform die Messrichtung der Sensoren senkrecht zu der von dem Substrat aufgespannten Hauptebene liegen kann.

In praktischen Anwendungsfällen hat es sich als günstig erwie- sen, wenn mehrere Sensoranordnungen zu einer Baugruppe zusam- mengefasst sind, wenn die Baugruppe zwei Sensoranordnungen u - fasst, bei denen die Messrichtungen der Sensoren in der von dem Substrat aufgespannten Hauptebene liegen und die Messrichtungen der beiden Sensoranordnungen senkrecht zueinander ori- entiert sind, und wenn die Baugruppe eine weitere Sensoranordnung umfasst, bei der die Messrichtung der Sensoren senkrecht zu der von dem Substrat aufgespannten Hauptebene liegen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sche- matisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. la und 1b eine Darstellung der verwendeten Parametersymbolik und der Bezugsrichtungen;

Fig. 2a bis 2d eine schematische Darstellung der Bausteine der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und

Fig. 3a bis 3c eine schematische Darstellung der Integration der Sensoranordnung in eine Verpackung.

In Fig. la sind die zur Erläuterung der Erfindung verwendeten Symbole für in der Sensoranordnung integrierte Sensoren dargestellt. Jeder Sensor wird in Gestalt eines Pfeils in Kombina- tion mit einem Parameterkennzeichen gezeigt. Der Pfeil zeigt die Messrichtung des jeweiligen Sensors an. Der Pfeil abstrahiert das Vorhandensein eines zugehörigen Messwandlers, der beispielsweise mittels einer Ätztechnologie in Silizium reali- siert wird. Derartige Ätztechnologien für unterschiedliche Systeme sind im Stand der Technik bekannt. Konkret wird ein Linearbeschleunigungssensor LA (englisch: „linear accelerome- ter") symbolisiert. Ein positives Vorzeichen bedeutet in diesem Fall eine Beschleunigung in der Pfeilrichtung. Ein Drehra- tensensor AR {englisch: „angular rate sensor") wird mit einem Kreis um einen Pfeil symbolisiert, wobei die Drehrichtung um die Pfeilrichtung im Uhrzeigersinn erfolgt. Das entspricht der so genannten „Rechte-Hand-Regel", wonach die Finger der rechten Hand den Drehsinn angeben, wenn der Daumen in Pfeilrich- tung zeigt. Ein Drehbeschleunigungssensor AA (englisch: „angular accelerometer") wird mit zwei Kreisen um einen Pfeil symbolisiert, wobei die Drehbeschleunigung im Uhrzeigersinn um die Pfeilrichtung erfolgt .

In Fig. lb sind die im Zusammenhang mit Fig. la erläuterten

Richtcharakteristiken zur besseren Veranschaulichung mit Bezug auf ein Koordinatensystem dargestellt. In Bezug auf die XY- Ebene symbolisiert der Pfeil 1 einen Drehbeschleunigungssensor, der in X-Richtung empfindlich ist. Der Pfeil 2 bezeichnet einen Linearbeschleunigungssensor, der in Y-Richtung empfindlich ist. Schließlich bezeichnet der Pfeil 3 einen Drehratensensor, der in Z-Richtung empfindlich ist. Unter der Annahme, dass das Siliziumsubstrat als Chip in der XY-Ebene liegt, sind nach der technisch üblichen Bezeichnung die Messrichtungen der Messwandler für Drehbeschleunigung AR 1 und Linearbeschleunigung AA 2 „in plane" und der Messwandler für die Drehrate AA 3 „out of plane". In Fig. 2a bis 2d sind schematisch die Bausteine der Sensoranordnung dargestellt. Die schematisch dargestellten Strukturen beziehen sich auf Ausführungsformen auf der Grundlage von mik- romechanisehen Systemen, die auf Basis von Silizium herge- stellt werden. Derartige Techniken sind dem Fachmann bekannt und können für den jeweils vorliegenden Anwendungsfall der Erfindung entsprechend angepasst werden.

Fig. 2a zeigt einen Siliziumchip 4 mit einer integrierten Struktur aus Drehratensensor 5, Linearbeschleunigungssensor 6, Drehbeschleunigungssensor 7 und Linearbeschleunigungssensor 8. Flächen 5a, 6a, 7a, 8a symbolisieren zugehörige Messwandler- chipflachen. Eine Fläche 4a symbolisiert eine kointegrierte elektronische Schaltung zum Betrieb beziehungsweise Vorstufen- betrieb der Messwandler 5, 6, 7. In einem vorteilhaften Anwendungsfall wird dieser Baustein als Inertialmesszelle in ge- häuster Form für eine ESP-Anwendung kombiniert mit einem Überschlagschutz (englisch: „rollover-protection") eingesetzt. Zu diesem Zweck ist die Chipebene parallel zur Fahrzeugebene be- ziehungsweise Erdoberfläche ausgerichtet. Die Messrichtung von den Sensoren 7, 8 stimmt mit der Fahrtrichtung eines Fahrzeuges überein, in welches die Sensoranordnung eingebaut ist. Die Innertialmesszelle erfasst dann bezogen auf das Fahrzeug die Gierrate, die Rollbeschleunigung, die Längsbeschleunigung und die Querbeschleunigung. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine vorteilhafte Kombination von bekannten Sensoren mit einem Drehbeschleunigungssensor 7 dar.

Fig. 2b zeigt schematisch eine häufig benötigte reduzierte Ausführungsform der Innertialmesszelle aus Fig. 2a. Die Messzelle umfasst einen Chip 9, einen Drehratensensor 10, einen Linearbeschleunigungssensor 11 und einen Drehbeschleunigungssensor 12. Die Messrichtungen der Sensoren 10, 11, 12 sind ge- nauso orientiert wie die Messrichtungen der entsprechenden Sensoren 5, 7, 8 von der in Fig. 2a beschriebenen Innertialmesszelle.

Fig. 2c zeigt einen Baustein mit einem Chip 13, einem Linearbeschleunigungssensor 14, einem Drehbeschleunigungssensor 15 und einem Drehratensensor 16. Die Messrichtungen aller drei Sensoren 14, 15, 16 sind entsprechend der weiter oben beschriebenen Definition „out of plane" realisiert.

Fig. 2d zeigt einen Baustein mit einem Chip 17, der einen Linearbeschleunigungssensor 18, einen Drehratensensor 19 und einen Drehbeschleunigungssensor 20 umfasst. Die Messrichtungen aller drei Sensoren sind entsprechend der weiter oben be- schriebenen Definition „in plane" realisiert. ^'

Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Chip 13 und zwei Chips 17 so miteinander kombiniert werden, dass eine Innertialmesszelle entsteht, die in allen drei Raumrichtungen jeweils die Drehrate, die Linearbeschleunigung und zusätzlich die Drehbeschleunigung misst. Zu diesem Zweck werden die drei Chips „in plane" zueinander ausgerichtet. Hierbei sind die beiden Chips 17 um einen rechten Winkel zueinander in der Ebene gedreht, so dass ihre sensori- sehen Messrichtungen senkrecht zueinander ausgerichtet und orthogonal zu den Messrichtungen der Sensoren auf dem Chip 13 sind.

Fig. 3 zeigt schematisch in mehreren Ausführungsbeispielen die Integration von mehreren erfindungsgemäßen monolithischen Sensoranordnungen in einem einzigen Verpackungsgehäuse. In Fig. 3a umschließt ein Gehäuse 21 einen sensorischen Baustein 24, von der in Zusammenhang mit Fig. 2a oder Fig. 2b beschriebenen Art, sowie einen dazugehörigen separaten elektronischen Schaltkreis 25, welcher die Sensorausgangssignale aus- wertet .

In Fig. 3b umschließt ein Gehäuse 22 einen Sensorbaustein 26, von der im Zusammenhang mit Fig. 2a oder 2b beschriebenen Art, sowie einen separaten elektronischen Schaltkreis 28, der die Sensoren des Bausteines 26 auswertet. Der Sensorbaustein 26 enthält eine kointegrierte elektronische Schaltung 27.

In Fig. 3c nimmt ein Gehäuse 23 zwei Sensorbausteine 29a, 29b nach Fig. 2d einen Baustein 30 nach Fig. 2c sowie einen zuge- ordneten elektronischen Schaltkreis 31 auf. Die sensorischen

Bausteine 29a, 29b, 30 können zusätzliche kointegrierte elektronische Schaltkreise enthalten. Diese Anordnung ist ein konkretes Ausführungsbeispiel einer Innerzialmesszelle, die in allen drei Raumrichtungen die Drehrate, die Linearbeschleuni- gung und die Drehbeschleunigung misst.

Claims

Patentansprüche:

1. Sensoranordnung zur Erfassung von Bewegungen, die als monolithische Anordnung ausgeführt ist, in welcher mehrere Sensoren integriert sind, wobei ein erster Sensor (8,11 14, 18) zur Erfassung einer linearen Beschleunigung und ein zweiter Sensor zur Erfassung einer Drehrate (5, 10, 16, 19) vorgesehen sind, dadurch gekennze i chne t, dass die Sensoranordnung einen dritten Sensor zur Erfassung einer Drehbeschleunigung (7, 12, 15, 20) umfasst.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sensoranordnung auf einem einkristallinen Substrat (4, 9, 13, 17) ausgebildet ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das einkristalline Substrat (4, 9, 13, 17) aus Silizium besteht.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sensoren als mikromechanische Strukturen in dem Substrat ausgebildet sind.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3 d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass alle oder einzelne Sensoren und Auswerteschaltungen mittels Flip-Chip Technologie oder Kleben, Löten und Drahtbonden mit dem Substrat verbunden und kontaktiert werden.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sensoren (5, 7, 8) auf dem Substrat so ausgerichtet sind, dass sie bei einer entsprechenden Einbaulage in ein Kraftfahrzeug geeignet sind, die lineare Beschleunigung in Längsrichtung des Kraftfahrzeuges, die Gierrate sowie die Rollbeschleunigung um die Längsachse des Kraftfahrzeuges zu messen.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sensoranordnung einen vierten Sensor (6) aufweist, der zur Erfassung einer linearen Beschleunigung geeignet und so auf dem Substrat ausgerichtet ist, dass er in der Lage ist, zusätzlich eine lineare Beschleunigung quer zur Fahrzeuglängsachse zu messen.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messrichtung der Sensoren (18, 19, 20) in der von dem Substrat (17) aufgespannten Hauptebene liegt.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messrichtung der Sensoren (14, 15, 16) senkrecht zu der von dem Substrat (13) aufgespannten Hauptebene liegt.

10. Sensoranordnungen nach Anspruch 7 und 8, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mehrere Sensoranordnungen zu einer Baugruppe zusammen- gefasst sind, dass die Baugruppe zwei Sensoranordnungen (29a, 29b) umfasst, bei denen die Messrichtungen der Senso- ren in der von dem Substrat aufgespannten Hauptebene liegen und die Messrichtungen der beiden Sensoranordnungen senkrecht zueinander orientiert sind, und dass die Baugruppe eine weitere Sensoranordnung (30) umfasst, bei der die Messrichtung der Sensoren senkrecht zu der von dem Substrat aufgespannten Hauptebene liegen.