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Beschleunigungssensor - Dokument DE102006023070A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006023070A1 22.11.2007
Titel Beschleunigungssensor
Anmelder Conti Temic microelectronic GmbH, 90411 Nürnberg, DE
Erfinder Asmuth, Markus, 85092 Kösching, DE
DE-Anmeldedatum 17.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006023070
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse G01P 15/08(2006.01)A, F, I, 20060517, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01P 15/125(2006.01)A, L, I, 20060517, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein Beschleunigungssensor vorgestellt, dessen Messbereich über eine Schnittstelle von einem Steuergerät aus durch Programmierung einstellbar ist, insbesondere auch nach dem Einbau in das Kraftfahrzeug.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein Beschleunigungssensor ist ein Sensor (Fühler), der die Beschleunigung misst, indem die auf eine (Test-)Masse wirkende Trägheitskraft bestimmt wird. Somit kann z.B. bestimmt werden, ob eine Geschwindigkeitszunahme oder -abnahme stattfindet.

Die ersten dieser Messinstrumente hatten eine sog. "sensitive (empfindliche) Achse", auf der die Prüfmasse verschiebbar angeordnet war. Sie waren bis etwa 1970 – in Verbindung mit Kreiseltechnik – die Basis vieler Steuerungsmethoden und der Inertial-Navigation; später wurden sie weitgehend durch genauere Systeme mit biegsamen Quarz-Stäben ("Q-Flex") oder magnetisch stabilisierten Massen ersetzt. Miniaturisierte Messgeräte, die hier beschrieben werden, arbeiten heute meist nach folgenden Prinzipien: Mikromechanische Methoden und kapazitive Analyse (30-35% der Mikro-Anwendungen, etwa für Elektronik im Auto und im Maschinenbau).

  • • Magnetfeld-Sensoren (magnetische Stabilisierung der Messmasse, etwa 25-30%).
  • • Drucksensoren (Messung der Kraft, etwa 20%).
  • • Piezoelektrizität.

Diese Kleinsensoren haben Messbereiche von einigen g bis zu Dutzenden oder sogar hunderten g und sind vielfach auch sehr robust gegen Stöße. Die Genauigkeiten liegen meist im Prozent- oder Promille-Bereich.

Präzisere, aber größere Instrumente liefern heute Genauigkeiten weit über 1:1 Million und erlauben z.B. eine Messung differenzieller Beschleunigungen in der Raketentechnik oder der Analyse von Fahrzeug-Bewegungen.

Viele technische Anwendungen benötigen volle dreidimensionale Messungen, etwa im Maschinenbau, zur Steuerung von Robotern oder in der Raumfahrt. Im Kraftfahrzeug, werden Beschleunigungssensoren für die Unfallprävention und als Auslösemechanismus für Sicherheitssysteme eingesetzt. Die Miniaturisierung ist eine wichtige Voraussetzung – neben Unempfindlichkeit gegen Temperatur, Vibrationen und andere Effekte. Zahlreiche Anwendungen kommen aber mit 2D-Sensoren aus, wenn es hauptsächlich um Bewegungen in einer Ebene geht.

In den letzten Jahren haben miniaturisierte Beschleunigungssensoren zunehmend Bedeutung erlangt. Dies sind Mikro-Elektro-Mechanische-Systeme (MEMS), die z.B. aus Silizium hergestellt werden. Diese Sensoren sind Feder-Masse-Systeme, bei denen die "Federn" nur wenige &mgr;m breite Silizium-Stege sind und auch die Masse aus Silizium hergestellt ist. Wegen der Auslenkung bei einer auftretenden Beschleunigung, misst man zwischen dem gefedert aufgehängten Teil und einer festen Bezugselektrode eine Änderung der elektrischen Kapazität. Der gesamte Messbereich entspricht einer Kapazitätsänderung von nur ca. 1 pF, daher muss die Elektronik zur Auswertung dieser kleinen Kapazitätsänderung auf dem selben Halbleiterbaustein integriert werden.

Für die Herstellung dieser Sensoren werden die Masse und die kleinen Silizium-Federn (Silizium-Beinchen) mittels Fotolithografie aus dem Silizium herausgeätzt. Um eine freitragende Struktur zu erhalten, wird eine darunter liegende Schicht aus Siliziumdioxid ebenfalls durch Ätzen entfernt.

Diese Art von Beschleunigungssensoren hat den Vorteil relativ geringer Stückkosten (Massenfertigung) und hoher Zuverlässigkeit. Manche solche Sensoren können noch Beschleunigungen bis zum Tausendfachen des Messbereichs ohne Schaden überstehen. Auf Grund der geringen Größe zeichnen sie sich auch durch hohe Messgeschwindigkeit aus. Sie werden daher z.B. zur Auslösung von Airbags in Fahrzeugen eingesetzt.

Die Beschleunigungssensoren eines Insassenschutzsystems unterstützen das Steuergerät, in dem sie aktuelle Beschleunigungswerte messen und an das Steuergerät weiter geben. In den Außenbereich des Fahrzeugs verlegte Beschleunigungssensoren erkennen den Crash eher als Sensoren im Steuergerät, da sie direkt an den Stellen angebracht sind, an denen die Kräfte wirken. Durch das Steuergerät werden dann bspw. Airbags und Gurtstraffer ausgelöst. Dabei werden in der Regel einige g-Beschleunigungssensortypen für unterschiedliche Messbereiche an unterschiedlichen Positionen im Fahrzeug verbaut.

Um einen Fehlverbau zu vermeiden, gibt es viele Gehäusevarianten mit mechanischen Codierungen für die unterschiedlichen Sensoren mit unterschiedlichen Messempfindlichkeiten. Den Sensor dann nachträglich zu wechseln ist problematisch, da das Fahrzeug bereits fertig zusammen gebaut ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es einen Beschleunigungssensor sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen vorzustellen, bei dem die Variantenvielfalt reduziert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.

Dazu ist der Messbereich des Beschleunigungssensors durch Programmierung einstellbar, beispielsweise über eine Schnittstelle von einem Steuergerät aus. Es können alle vorgesehenen Messbereiche, die beispielsweise im Sensor bereits hinterlegt sind, über einen Code aktiviert werden. Die separaten Empfindlichkeitsbereiche des Beschleunigungssensors sind vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass sie über das Steuergerät nach dem Einbau für entsprechende Anwendungen einstellbar sind. Die Einstellung innerhalb eines Empfindlichkeitsbereiches erfolgt vorzugsweise nach dem Einschalten des Steuergerätes. Das Steuergerät im Kraftfahrzeug stellt den Beschleunigungssensor, mit dem es über eine Schnittstelle verbunden ist, auf den gewünschten Messbereich ein. Die Messbereiche sind vorzugsweise im Sensor des Kraftfahrzeugs hinterlegt und werden über einen Code aktiviert.

Der Vorteil dieses Universal-Beschleunigungssensors besteht im Wesentlichen in der Vielfalt der Anwendungen und seiner Baugleichheit. Aus der für unterschiedliche Messbereiche programmierbaren g-Zelle und der einheitlichen mechanischen Kodierung des Sensorbausteins selbst folgt ein universeller Beschleunigungssensor für den Einsatz im Kraftfahrzeug. Dadurch lassen sich in der Herstellungskette höhere Stückzahlen und kürzere Rüstzeiten erzielen. Das bedeutet, dass mit einem einheitlichen Sensorsystem Kosten und Fehlverbau im Kraftfahrzeug minimiert werden. Zudem ist der Ersatzteileinbau in Werkstätten effizienter und muss am Band wie in der Werkstatt nur ein Universalsensor bereitgehalten werden.

Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Zuhilfenahme der 1 bis 2 näher erläutert. Im Folgenden können für funktional gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sein. Es zeigen:

1: Blockschaltbild der g-Zelle mit ASIC in einem IC-Gehäuse und des angeschlossenen Steuergerätes.

2: Resonanzspektrum des elektromechanischen Schwingungssystems.

In der 1 ist das Block-Schaltbild des Beschleunigungssensors dargestellt. Der Beschleunigungssensor besteht aus einer g-Zelle (13) und einem ASIC (14). Beide sind in einem Beschleunigungssensorbaustein integriert. In der g-Zelle (13) sind bspw. fünf Si-Chips aufgebracht, in der Skizze als dicke Balken eingezeichnet, die bspw. als Oberflächen-MEMS-Beschleunigungselemente (11) ausgestaltet sind. Sie sind bspw. für die Messbereiche von 25 g, 50 g, 100 g, 200 g bis 400 g ausgelegt. Die räumliche Ausrichtung (12) der g-Zelle bzw. des gesamten Sensorbausteins, ist mit dem dicken senkrechten Pfeil angedeutet und durch den Einbau definiert. Die Signalaufbereitung erfolgt im ASIC (14) des Beschleunigungssensors.

Sie beginnt mit einer Kapazität- zu Spannung Konversion in der Sensorschnittelle (15) und Signalfilterung. Anschließend folgt eine Analog/Digital-Wandlung im A/D-Konverter (16). Das Signalprotokoll wird in der Kontroll-Logik (17) übersetzt und ausgeführt. Eine Kalibrier- und Trimm-Schnittstellle (18) des ASIC führt die Einschaltdiagnoseroutine durch, liest und konvertiert ein Beschleunigungssignal und dekodiert es für die Übertragung. Die Übertragung der aufbereiteten Messdaten zum Steuergerät erfolgt über die Anschlüsse (19) des ASIC.

Die Programmierung des Sensorbausteins erfolgt in bspw. zwei Stufen nach dem Einbau in das Kraftfahrzeug. Die Aktivierung der g-Zelle für einen festen Messbereich (bspw. 25 g, 50 g, 100 g, 200 g bzw. 400 g) erfolgt vorzugsweise einmalig über einen Code vom Steuergerät 20.

Die Zuordnung erfolgt dabei vorzugsweise anhand einer im Steuergerät hinterlegten Zuweisung bestimmter Codes und damit bestimmter Messbereiche zu den jeweiligen Schnittstellen 19a, 19b usw., d.h. bei richtiger Verbindung der Beschleunigungssensoren 10a, 10b usw. ergibt sich automatisch eine richtige Zuordnung der Messbereiche. Dabei aktiviert das Steuergerät 20 einen der Oberflächen-MEMS 11 und deaktiviert alle anderen. Dadurch ist die g-Zelle nur noch innerhalb eines Beschleunigungsmessbereiches aktiv. Ein zweiter Programmierschritt kann bei jedem Einschaltvorgang mittels der Kalibrier und Test-Einheit des ASIC erfolgen. Die Einstellung auf eine feste Initialspannung (Offset) des Kapazitäts-Spannungs-Konverters, regelt sich über die Temperatureigenschaften und Zusammensetzung des Halbleitermaterials ein, dadurch kann innerhalb eines festen Beschleunigungsmessbereiches gemessen werden.

Die Darstellung in der 2, bildet das Resonanzspektrum des elektromechanischen Schwingungssystems einer g-Zelle ab. Die deutlich abgebildeten Resonanzmaxima liegen bei den Frequenzen von bspw. ca. 26 kHz, 38 kHz, 50 kHz, 61 kHz und 69 kHz und sind eindeutig den Beschleunigungsmessbereichen von 25 g, 50 g, 100 g, 200 g, und 400 g zuzuordnen.

Aus dem Plot erkennt man, dass die Maxima bei den Frequenzen 26 kHz, 38 kHz und 50 kHz eine starke Ausprägung und die Maxima bei 61 kHz und 70 kHz sichtbar geringere Ausprägung zeigen. Jedes der fünf Elektro-Mechanischen-Schwingungssysteme, befindet sich auf einem eigenen Sensorchip, die alle in der gleichen g-Zelle integriert sind. Diese Beschleunigungsmessbereiche werden nach dem Einbau entsprechend der Anwendung im Kraftfahrzeug über das Steuergerät festgelegt. Auf die im Bild 2 dargestellten fünf Resonanzen, werden die Beschleunigungssensoren beim Einschalten des Sensorsystems vom Steuergerät kalibriert.

10
Beschleunigungssensor
11
Oberflächen-MEMS (Micro-Electrical-Mechanical-Systems) innerhalb der g-Zelle
12
Gehäuseausrichtung Festlegung der Messrichtungen
13
g-Zelle
14
ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
15
Sensorschnittstelle und Filter
16
Analog/Digital-Wandler
17
Kontrolllogik und Zustandsmaschiene
18
Kalibrier und Test-Schnittstelle
19
Anschlüsse zum Steuergerät
20
Steuergerät


Anspruch[de]
Beschleunigungssensor, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich durch Programmierung einstellbar ist. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich des Beschleunigungssensors über eine Schnittstelle von einem Steuergerät aus programmierbar ist nach dem Einbau in das Kraftfahrzeug. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle vorgesehenen Messbereiche bereits im Sensor hinterlegt sind und über einen Code aktivierbar sind. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass separate Empfindlichkeitsbereiche einstellbar sind. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeitsbereiche nach dem Einschalten zugewiesen werden. Kraftfahrzeug mit einem Steuergerät und einem Beschleunigungssensor nach einen der vorangehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät mit dem Beschleunigungssensor über eine Schnittstelle verbunden ist und über diese Schnittstelle den Messbereich des Beschleunigungssensors einstellt. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle vorgesehenen Messbereiche bereits im Sensor hinterlegt sind und über einen Code vom Steuergerät aus aktivierbar sind.






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