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DE102006023070A1 - Acceleration sensors for motor vehicle, have g-cell programmable for different measuring ranges that are adjustable by programming, where acceleration sensor is programmable over interface of controller - Google Patents

Acceleration sensors for motor vehicle, have g-cell programmable for different measuring ranges that are adjustable by programming, where acceleration sensor is programmable over interface of controller Download PDF

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DE102006023070A1
DE102006023070A1 DE200610023070 DE102006023070A DE102006023070A1 DE 102006023070 A1 DE102006023070 A1 DE 102006023070A1 DE 200610023070 DE200610023070 DE 200610023070 DE 102006023070 A DE102006023070 A DE 102006023070A DE 102006023070 A1 DE102006023070 A1 DE 102006023070A1
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Markus Asmuth
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Abstract

The acceleration sensors (10a, 10b) have a g-cell (13), which is programmable for different measuring ranges that are adjustable by programming, where the acceleration sensor is programmable over an interface of a controller (20). The measuring ranges are activated by a code, where separate sensitivity ranges assigned after activation of the controller are adjustable. The controller is connected by an interface with the acceleration sensor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschleunigungssensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The The invention relates to an acceleration sensor according to the preamble of claim 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.One Accelerometer is a sensor (sensor) that accelerates measures by acting on a (test) mass inertial force is determined. Thus, e.g. determine if an increase in speed or acceptance takes place.

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.
The first of these measuring instruments had a so-called "sensitive (sensitive) axis", on which the test mass was slidably arranged. They were the basis of many control methods and inertial navigation until around 1970 - in conjunction with gyroscopic technology; later, they were largely replaced by more precise systems with flexible quartz rods ("Q-Flex") or magnetically stabilized masses. Today, miniaturized measuring devices described here generally work according to the following principles: micromechanical methods and capacitive analysis (30-35% of micro-applications, such as for electronics in the automotive and mechanical engineering industries).
  • • Magnetic field sensors (magnetic stabilization of the measuring mass, about 25-30%).
  • • Pressure sensors (measuring the force, about 20%).
  • • Piezoelectricity.

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.These Small sensors have measuring ranges from a few g up to dozens or even hundreds of g and are often very robust against Shocks. The Accuracies are usually in the percent or per thousand range.

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.precise, but bigger instruments Today deliver accuracies well over 1: 1 million and allow e.g. a measurement of differential accelerations in rocket technology or the analysis of vehicle movements.

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.Lots technical applications need full Three-dimensional measurements, for example in mechanical engineering, for control by robots or in space. In the motor vehicle, acceleration sensors become for the accident prevention and as a triggering mechanism for security systems used. Miniaturization is an important prerequisite - alongside Insensitivity to temperature, vibration and other effects. However, many applications can handle 2D sensors when it is mainly about Movements in a plane goes.

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 μm 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.In Recent years have miniaturized acceleration sensors increasingly important. These are micro-electro-mechanical systems (MEMS), e.g. be made of silicon. These sensors are spring-mass systems in which the "springs" are only a few microns wide silicon webs and also the mass is made of silicon. Because of the deflection at an occurring acceleration, one measures between the sprung suspended Part and a fixed reference electrode, a change in the electric capacity. The whole Measuring range corresponds to a capacity change of only approx. 1 pF, therefore the electronics needs to evaluate this small capacitance change be integrated on the same semiconductor device.

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.For the production of these sensors are the mass and the small silicon springs (silicon legs) etched out of the silicon by photolithography. Around to obtain a self-supporting structure becomes an underlying one Layer of silicon dioxide also removed by etching.

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.These Type of acceleration sensors has the advantage of relatively lower unit costs (Mass production) and high reliability. Some such sensors can even accelerations up to a thousand times the measuring range without Survive damage. Due to the small size they draw also characterized by high measuring speed. They are therefore used e.g. for triggering used by airbags in vehicles.

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.The Acceleration sensors of an occupant protection system support this Controller, in which they measure current acceleration values and continue to the control unit give. In the outdoor area the vehicle's installed acceleration sensors detect the crash rather than sensors in the controller, because they are directly attached to the places where the forces act. Through the control unit Then, for example, airbags and belt tensioners are triggered. there Typically, some g-accelerometer types will work for different ranges installed at different positions in the vehicle.

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.Around To avoid misplacement, there are many housing variants with mechanical Codings for the different sensors with different measuring sensitivities. The sensor then later Switching is problematic because the vehicle is already finished together is built.

Die Aufgabe der Erfindung ist es einen Beschleunigungssensor sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen vorzustellen, bei dem die Variantenvielfalt reduziert werden kann.The The object of the invention is an acceleration sensor and a To present motor vehicle with such a, in which the variety of variants can be reduced.

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.These The object is solved by the features of the independent claims. advantageous Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims, wherein also combinations and developments of individual features with each other are conceivable.

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.To is the measuring range of the acceleration sensor through programming adjustable, for example via an interface from a controller. All intended measuring ranges, which are already stored in the sensor, for example, via a Code to be activated. The separate sensitivity ranges of the Acceleration sensors are preferably characterized that they over the control unit after installation for appropriate applications are adjustable. The setting within A sensitivity range is preferably carried out after switching of the control unit. The control unit in the motor vehicle represents the acceleration sensor with which it has a Interface is connected to the desired measuring range. The Measuring ranges are preferably stored in the sensor of the motor vehicle and will be over activated a code.

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.Of the Advantage of this universal acceleration sensor is essentially in the variety of applications and its structural identity. Off for different Measuring ranges programmable g-cell and the unitary mechanical Coding of the sensor module itself is followed by a universal acceleration sensor for the Use in the motor vehicle. This can be in the production chain higher numbers and shorter ones up times achieve. That means having a single sensor system Cost and Fehlverbau be minimized in the vehicle. In addition is Spare parts installation in workshops more efficient and only needs a universal sensor on the conveyor belt and in the workshop be kept ready.

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:The invention will now be described below with reference to an embodiment with the aid of 1 to 2 explained in more detail. Hereinafter, for functionally identical and / or identical elements may be denoted by the same reference numerals. Show it:

1: Blockschaltbild der g-Zelle mit ASIC in einem IC-Gehäuse und des angeschlossenen Steuergerätes. 1 : Block diagram of the g-cell with ASIC in an IC housing and the connected control unit.

2: Resonanzspektrum des elektromechanischen Schwingungssystems. 2 : Resonance spectrum of the electromechanical vibration system.

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.In the 1 the block diagram of the acceleration sensor is shown. The acceleration sensor consists of a g cell ( 13 ) and an ASIC ( 14 ). Both are integrated in an acceleration sensor module. In the g-cell ( 13 ) are applied, for example, five Si chips, drawn in the sketch as thick bars, for example, as surface MEMS acceleration elements ( 11 ) are configured. They are designed, for example, for the measuring ranges of 25 g, 50 g, 100 g, 200 g to 400 g. The spatial orientation ( 12 ) of the g-cell or the entire sensor module is indicated by the thick vertical arrow and defined by the installation. Signal conditioning takes place in the ASIC ( 14 ) of the acceleration sensor.

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.It starts with a capacitance-to-voltage conversion in the sensor interface ( 15 ) and signal filtering. This is followed by an analog / digital conversion in the A / D converter ( 16 ). The signal protocol is stored in the control logic ( 17 ) translated and executed. A calibration and trim interface ( 18 ) of the ASIC performs the power up diagnostic routine, reads and converts an acceleration signal, and decodes it for transmission. The transfer of the processed measurement data to the control unit takes place via the connections ( 19 ) of the 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.The programming of the sensor module takes place in, for example, two stages after installation in the motor vehicle. The activation of the g-cell for a fixed measuring range (for example 25 g, 50 g, 100 g, 200 g or 400 g) is preferably carried out once by a code from the control unit 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.The assignment is preferably carried out based on an assigned in the control unit assignment of certain codes and thus specific measuring ranges to the respective interfaces 19a . 19b etc., ie with proper connection of the acceleration sensors 10a . 10b etc. automatically results in a correct assignment of the measuring ranges. The controller activates 20 one of the surface MEMS 11 and disables all others. As a result, the g-cell is only active within an acceleration measuring range. A second programming step can be performed at each power up using the calibration and test unit of the ASIC. The setting to a fixed initial voltage (offset) of the capacitance-voltage converter, regulates the temperature characteristics and composition of the semiconductor material, thereby can be measured within a fixed acceleration measurement range.

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.The presentation in the 2 , maps the resonance spectrum of the electromechanical vibration system of a g-cell. The clearly depicted resonance maxima are at the frequencies of, for example, about 26 kHz, 38 kHz, 50 kHz, 61 kHz and 69 kHz and are clearly attributable to the acceleration measurement ranges of 25 g, 50 g, 100 g, 200 g and 400 g.

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.From the plot it can be seen that the maxima at the frequencies 26 kHz, 38 kHz and 50 kHz show a strong characteristic and the maxima at 61 kHz and 70 kHz show a visibly lower characteristic. Each of the five electro-mechanical vibration systems is located on its own sensor chip, all of which are integrated in the same g-cell. This Be Acceleration measuring ranges are determined after installation according to the application in the motor vehicle via the control unit. On the five resonances shown in Figure 2, the acceleration sensors are calibrated by the control unit when switching on the sensor system.

1010
Beschleunigungssensoraccelerometer
1111
Oberflächen-MEMS (Micro-Electrical-Mechanical-Systems) innerhalb der g-ZelleSurface MEMS (Micro-Electrical-Mechanical-Systems) within the g-cell
1212
Gehäuseausrichtung Festlegung der MessrichtungenBody orientation Definition of the measuring directions
1313
g-Zelleg-cell
1414
ASIC (Application Specific Integrated Circuit)ASIC (Application Specific Integrated Circuit)
1515
Sensorschnittstelle und FilterSensor interface and filters
1616
Analog/Digital-WandlerAnalog / digital converter
1717
Kontrolllogik und Zustandsmaschienecontrol logic and state machine
1818
Kalibrier und Test-Schnittstellecalibration and test interface
1919
Anschlüsse zum SteuergerätConnections to the control unit
2020
Steuergerätcontrol unit

Claims (7)

Beschleunigungssensor, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich durch Programmierung einstellbar ist.Acceleration sensor, characterized in that the measuring range is adjustable by programming. 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.Acceleration sensor according to claim 1, characterized in that that the measuring range of the acceleration sensor via an interface of a control unit is programmable after installation in the motor vehicle. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle vorgesehenen Messbereiche bereits im Sensor hinterlegt sind und über einen Code aktivierbar sind.Acceleration sensor according to claim 1 or 2, characterized characterized in that all intended measuring ranges already in the sensor are deposited and over a code can be activated. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass separate Empfindlichkeitsbereiche einstellbar sind.Acceleration sensor according to claim 1, 2 and 3, characterized characterized in that separate sensitivity ranges adjustable are. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeitsbereiche nach dem Einschalten zugewiesen werden.Acceleration sensor according to claim 1 or 5 and 6, characterized in that the sensitivity ranges after be assigned to switch on. 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.Motor vehicle with a control unit and an acceleration sensor according to one of the preceding claims, wherein the control unit with the Acceleration sensor via an interface is connected and via this interface the Setting the measuring range of the acceleration sensor. Kraftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle vorgesehenen Messbereiche bereits im Sensor hinterlegt sind und über einen Code vom Steuergerät aus aktivierbar sind.Motor vehicle according to claim 6, characterized in that that all intended measuring ranges are already stored in the sensor are and about a code from the controller can be activated.
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