DE19806754A1 - Sensor element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement, insbesondere einen piezoelek­ trischen, einen piezoresistiven oder einen kapazitiven Beschleunigungs­ aufnehmer oder Drucksensor, bestehend aus einer beweglichen Masse zur Erfassung einer physikalischen Größe, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a sensor element, in particular a piezoelectric trical, a piezoresistive or a capacitive acceleration transducer or pressure sensor, consisting of a movable mass for recording a physical quantity, according to the preamble of Claim 1.

Es sind verschiedene derartige Sensorelemente bekannt. Bei dem Sen­ sorelement handelt es sich um einen piezoelektrischen, piezoresistiven oder kapazitiven Beschleunigungssensor. Derartige Beschleunigungsele­ mente bestehen wiederum aus einem beweglichen Teil, der sogenannten seismischen Masse und einem festen Teil. Die beweglichen und unbe­ weglichen Teile sind durch einen oder mehrere Stege miteinander ver­ bunden. Der Ausschlag des beweglichen Teils gegenüber dem unbeweg­ lichen Teil ist das Maß für die Höhe der Beschleunigung bzw. des Druckes oder einer anderen physikalischen Größe. Dabei wird das mechanische Signal - der Ausschlag der seismischen Masse - in ein elektrisches Signal umgewandelt.Various sensor elements of this type are known. At the sen sorelement is a piezoelectric, piezoresistive or capacitive acceleration sensor. Such acceleration elements elements in turn consist of a moving part, the so-called seismic mass and a solid part. The agile and unconstrained moving parts are ver by one or more webs bound. The deflection of the moving part against the unmoving Lichen part is the measure of the level of acceleration or pressure or another physical quantity. The mechanical Signal - the deflection of the seismic mass - into an electrical signal converted.

Hierbei ergeben sich folgende Nachteile:
This has the following disadvantages:

• - löst sich der bewegliche Teil des Sensorelements vom unbeweglichen Teil durch Bruch oder andere mechanische Beschädigungen ab, so ver­ ändert sich auch das Verhalten des beweglichen Teils. Die Beschleuni­ gung bzw. der Druck oder eine andere physikalische Größe kann nicht mehr reproduzierbar gemessen werden. Die dabei ermittelten Werte sind falsch und können ungewollte Reaktionen des Systems auslösen.- The movable part of the sensor element detaches from the immobile Part due to breakage or other mechanical damage, so ver the behavior of the moving part also changes. The acceleration supply or the pressure or another physical quantity cannot be measured more reproducibly. The determined values are wrong and can trigger unwanted system reactions.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde bei einem Sensorele­ ment der eingangs genannten Art diese Nachteile zu beheben.The invention is therefore based on the object with a sensor element ment of the type mentioned to remedy these disadvantages.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzei­ chen des Patentanspruchs 1 gelöst. Hierbei wird auf dem Sensorelement mindestens eine Leiterbahn angebracht, die sich über den unbeweglichen Teil und über die Verbindung bzw. über den beweglichen Teil erstreckt und die als Indikator für eine mechanische Zerstörung an diesen Stellen dient.This object is achieved by the features in the indicator Chen of claim 1 solved. This is done on the sensor element attached at least one conductor track, which is over the immovable Part and extends over the connection or over the movable part and that as an indicator of mechanical destruction at these locations serves.

Dadurch können Fehlfunktionen am Sensorelement erkannt und ange­ zeigt werden.Malfunctions on the sensor element can thereby be recognized and indicated be shown.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen. Hierbei wird eine Leiterbahn im Bereich der Stege auf das Sen­ sorelement angebracht und als Stromschleife mit einem oder mehreren Testwiderständen genutzt. Verändern sich die elektrischen vorgegebenen Parameter, so ist dies ein Indikator für einen Bruch oder eine andere me­ chanische Zerstörung des Steges, der die seismische Masse mit dem un­ beweglichen Teil des Sensorelementes verbindet. Eine genaue Messung der Beschleunigung oder des Druckes oder einer anderen physikalischen Größe wäre dann nicht mehr gewährleistet. Die Leiterbahnen können aus hochdotiertem Silizium oder einem Metall, insbesondere Aluminium be­ stehen. Des weiteren werden vorteilhafte Auswerteschaltungen für derar­ tige Sensorelemente offenbart, die als integrierter Schaltkreis oder als Bestandteil eines bereits vorhandenen integrierten Schaltkreises realisiert werden können.Further advantageous developments result from the Unteran sayings. Here, a conductor track in the area of the webs is attached to the Sen attached and as a current loop with one or more Test resistors used. Change the electrical default Parameters, so this is an indicator of a break or some other me Chan destruction of the web, which connects the seismic mass with the un Moving part of the sensor element connects. An accurate measurement acceleration or pressure or other physical Then size would no longer be guaranteed. The conductor tracks can be made highly doped silicon or a metal, especially aluminum stand. Furthermore, advantageous evaluation circuits for derar term sensor elements disclosed that as an integrated circuit or as Part of an existing integrated circuit realized can be.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren dargestellt und erläutert werden.In the following, the invention is to be illustrated using exemplary embodiments in Connection with the figures are shown and explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Sensorelement mit Leiterbahnen Fig. 1 sensor element with conductor tracks

Fig. 2 Stromschleife mit Auswerteschaltung Fig. 2 current loop with evaluation circuit

Fig. 1 zeigt den mikromechanischen Aufbau eines Sensorelements 12 mit Stromschleife 6. Auf einer Silizium-Basis 1 befindet sich eine unbe­ wegliche Silizium-Masse-Platte 2. An diesem unbeweglichen Teil 2 ist über Aufhängungen 3 die seismischen Masse 4 befestigt. Die Aufhängun­ gen 3 sind als Stege zu sehen, die die bewegliche seismische Masse 4 mit der unbeweglichen Silizium-Platte 2 verbinden. An den Stegen 3 sind gleichfalls Piezowiderstände 5 implantiert, die die mechanischen Bewe­ gungen der seismischen Masse 4 in ein elektrisches Signal umwandeln. Die Piezowiderstände 5 erfassen hierbei Verspannungen, die sich im Be­ festigungsbereich der Stege 3 mit der unbeweglichen Silizium-Masse- Platte 2 durch die Bewegung der seismischen Masse 4 am anderen Ende des Steges ergeben. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zusätzlich Leiterbahnen als eine Stromschleife 6 an der ganzen Anordnung ange­ bracht. Die Stromschleife 6 befindet sich auf der Oberfläche der Silizium- Masse-Platte 2, der Stege 3 und der seismischen Masse 4. Sie erstreckt sich von den Anschlüssen 7 über die unbewegliche Silizium-Masse-Platte 2 über alle Stege 3 und über die seismische Masse 4. Des weiteren sind in die Stromschleife 6 zwei Testwiderstände R_Test1, R_Test2 implantiert. Die ganze Anordnung ist zum Schutz mit einer weiteren Siliziumschicht 11 abgedeckt. Die Stromschleife 6 stellt eine permanent aktive Testeinheit dar. Sie detektiert mechanische Zerstörungen, wie z. B. Risse, Abbruch usw. in den Stegen 3 oder der seismischen Masse 4 des Sensorelements 12. Die einwandfreie Funktion der Stromschleife 6 kann überprüft werden. Die Leiterbahn selbst besteht aus hochdotiertem Silizium oder Metall, wie z. B. Aluminium. Die beiden implantierten Widerstände R_Test1, R_Test2 wer­ den zur Testsignalauswertung benötigt. Des weiteren weist das Sensore­ lement 12 zusätzliche Bondpads 8 auf, mit denen das Sensorelement an die Versorgungsspannung und Masse angeschlossen wird und an denen die Sensorsignale abgegriffen werden können. Fig. 1 shows the structure of a micromechanical sensor element 12 having current loop 6. On a silicon base 1 there is an immobile silicon mass plate 2 . The seismic mass 4 is fastened to this immovable part 2 via suspensions 3 . The suspension conditions 3 can be seen as webs that connect the movable seismic mass 4 with the immobile silicon plate 2 . Piezo resistors 5 are also implanted on the webs 3 , converting the mechanical movements of the seismic mass 4 into an electrical signal. The piezoresistors 5 detect stresses that arise in the fastening area of the webs 3 with the immobile silicon mass plate 2 due to the movement of the seismic mass 4 at the other end of the web. In this embodiment, conductor tracks are additionally introduced as a current loop 6 on the entire arrangement. The current loop 6 is located on the surface of the silicon mass plate 2 , the webs 3 and the seismic mass 4 . It extends from the connections 7 over the immobile silicon mass plate 2 over all webs 3 and over the seismic mass 4 . Furthermore, two test resistors R _Test1 , R _{Test2 are} implanted in the current loop 6 . The entire arrangement is covered with a further silicon layer 11 for protection. The current loop 6 represents a permanently active test unit. It detects mechanical destruction, such as. B. cracks, demolition, etc. in the webs 3 or the seismic mass 4 of the sensor element 12 . The correct functioning of the current loop 6 can be checked. The conductor track itself consists of highly doped silicon or metal, such as. B. aluminum. The two implanted resistors R _Test1 , R _Test2 who needed the test signal _evaluation . Furthermore, the sensor element 12 has additional bond pads 8 with which the sensor element is connected to the supply voltage and ground and from which the sensor signals can be tapped.

Fig. 2 zeigt eine Auswerteschaltung für die in Fig. 1 beschriebene Stromschleife 6. Hierbei sind die beiden Widerstände R_Test1, R_Test2 der Stromschleife mit einem Meßwiderstand R_Mess in Reihe geschaltet. Der Widerstand R_Mess ist Bestandteil der Auswerteelektronik, die als integrier­ ter Schaltkreis 10 realisiert werden kann. Der integrierte Schaltkreis 10 ist an den Anschlüssen 7 mit dem Sensorelement 12 verbunden. Im Normal­ betrieb ist der Schalter S₁ geschlossen und am Meßwiderstand R_Mess liegt die Spannung V_Mess:
FIG. 2 shows an evaluation circuit for the current loop 6 described in FIG. 1. The two resistors R _Test1 , R _{Test2 of} the current loop are connected in series with a measuring resistor R _Mess . The resistance R _Mess is part of the evaluation electronics, which can be implemented as an integrated circuit 10 . The integrated circuit 10 is connected to the sensor element 12 at the connections 7 . In normal operation, the switch S ₁ is closed and the measuring resistor R is _measured, the voltage V _measured:

an. V_DD ist hierbei die Versorgungsspannung des Sensormoduls und be­ trägt in dem Anwendungsbeispiel 5 V. Die Widerstände sind so dimensio­ niert, daß gilt (R_Test1 + R_Test2) « R_Mess. Im Normalbetrieb, also wenn keine Störung anliegt, beträgt die Spannung am Meßwiderstand: V_Mess ≈ V_DD. Im Fall einer mechanischen Zerstörung der Stromschleife 6, z. B. einem Riß im Steg oder herausgebrochenem Material im Bereich der Leiterbahnen, wird der Widerstand der Stromschleife 6 aufgrund der Unterbrechung sehr viel größer als R_Mess. In diesem Fall beträgt die Spannung V_Mess ≈ 0V. Der Übergang von V_DD auf 0 V bewirkt über eine interne erste Überwa­ chungseinheit 9, daß der Zustand am Fehler-Statusausgang A_F des inte­ grierten Schaltkreises 10 von EINS auf NULL wechselt. Der Zustand NULL stellt eine Fehlermeldung dar. Sie kann von einem übergeordneten System, wie z. B. dem Airbagsystem ausgewertet und weiterverarbeitet werden. Weiterhin ist die Stromschleife 6 selbsttestfähig. Eine Unterbre­ chung der Stromschleife kann durch definiertes Öffnen des Schalters S₁ simuliert werden.on. V _DD is in this case the supply voltage of the sensor module and transmits be in the Application Example 5 V. The resistors are defined as dimensio that applies (R + R _{Test1 Test2)} "R _measurement. In normal operation, i.e. when there is no fault, the voltage across the measuring resistor is: V _Mess ≈ V _DD . In the event of mechanical destruction of the current loop 6 , e.g. B. a crack in the web or broken material in the area of the conductor tracks, the resistance of the current loop 6 is much larger than R _measurement due to the interruption. In this case the voltage V _Mess ≈ 0V. The transition from V _DD to 0V causes an internal first surveil monitoring unit 9 so that the state at the fault-status output A _F of the inte grated circuit 10 changes from one to zero. The state NULL represents an error message. It can be from a higher-level system, such as. B. the airbag system can be evaluated and processed. Furthermore, the current loop 6 is self-testable. An interruption of the current loop can be simulated by opening switch S _{1 in a} defined manner.

Claims (7)

1. Sensorelement (12), bestehend aus wenigstens einem beweglichen und einem unbeweglichen Teil (4, 2), die durch wenigstens einem Steg (3) miteinander verbunden sind, wobei der bewegliche Teil (4) zur Er­ fassung einer physikalischen Größe dient, wie es insbesondere bei pie­ zoresistiven, piezoelektrischen bzw. kapazitiven Beschleunigungsauf­ nehmern oder Drucksensoren der Fall ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Sensorelement (12) mindestens eine Leiterbahn (6) an­ gebracht ist, die sich wenigstens teilweise über den beweglichen Teil (4) oder über den Steg (3) und über den unbeweglichen Teil (2) er­ streckt.1. Sensor element ( 12 ), consisting of at least one movable and an immovable part ( 4 , 2 ) which are connected to one another by at least one web ( 3 ), the movable part ( 4 ) being used to record a physical variable, such as it is particularly the case with pie coresistive, piezoelectric or capacitive acceleration sensors or pressure sensors, characterized in that on the sensor element ( 12 ) at least one conductor track ( 6 ) is attached, which is at least partially on the movable part ( 4 ) or over the web ( 3 ) and over the immovable part ( 2 ) he stretches. 2. Sensorelement (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (6) als Stromschleife ausgebildet ist und diese Strom­ schleife implantierte Testwiderstände (R_Test1, R_Test2) beinhaltet.2. Sensor element ( 12 ) according to claim 1, characterized in that the conductor track ( 6 ) is designed as a current loop and this current loop contains implanted test resistors (R _Test1 , R _Test2 ). 3. Sensorelement (12) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (6) aus hochdotiertem Si­ lizium oder Metall insbesondere Aluminium besteht.3. Sensor element ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor track ( 6 ) consists of highly doped Si silicon or metal, in particular aluminum. 4. Sensorelement (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das Sensorelement eine Auswerteschaltung (10) vorhanden ist und diese Auswerteschaltung einen Meßwiderstand (R_Mess) beinhaltet, des­ sen Widerstandswert wesentlich größer ist als die Summe der Testwi­ derstandswerte (R_Test1, R_Test2).4. Sensor element ( 12 ) according to claim 2, characterized in that there is an evaluation circuit ( 10 ) for the sensor element and this evaluation circuit includes a measuring resistor (R _Mess ), whose resistance value is substantially greater than the sum of the test resistance values (R _Test1 , R _Test2 ). 5. Sensorelement (12), nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Sensorelement eine Auswerte­ schaltung (10) vorhanden ist und diese Auswerteschaltung einen Schalter (S₁) aufweist, mit dem eine Unterbrechung in der Leiterbahn (6) simuliert werden kann. 5. Sensor element ( 12 ), according to one of the preceding claims, characterized in that an evaluation circuit ( 10 ) is present for the sensor element and this evaluation circuit has a switch (S ₁ ) with which an interruption in the conductor track ( 6 ) simulates can be. 6. Sensorelement (12) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß für das Sensorelement (12) eine Auswer­ teschaltung (10) vorhanden ist, und die Auswerteschaltung als integrier­ ter Schaltkreis aufgebaut ist oder in einem bereits vorhandenen inte­ grierten Schaltkreis realisiert wird.6. Sensor element ( 12 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that an evaluation circuit ( 10 ) is provided for the sensor element ( 12 ), and the evaluation circuit is constructed as an integrated circuit or is implemented in an existing integrated circuit becomes. 7. Sensorelement (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Sensorelement (12) eine Auswerteschaltung (10) vorhanden ist mit der die Leitfähigkeit der Leiterbahn oder Leiterbahnen bestimmt und ausgewertet wird, wobei die Leitfähigkeit als Indikator dient, ob eine mechanische Zerstörung am beweglichen Teil (4), am unbeweglichen Teil (2) oder an der Verbindung (3) zwischen beweglichem und unbe­ weglichem Teil (4, 2) vorliegt.7. Sensor element ( 12 ) according to claim 1, characterized in that for the sensor element ( 12 ) there is an evaluation circuit ( 10 ) with which the conductivity of the conductor track or conductor tracks is determined and evaluated, the conductivity serving as an indicator of whether a mechanical Destruction on the movable part ( 4 ), on the immovable part ( 2 ) or on the connection ( 3 ) between the movable and immovable part ( 4 , 2 ) is present.