DE29704181U1 - Capacitive device for acceleration detection - Google Patents
Capacitive device for acceleration detectionInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Vorrichtungen zur Beschleunigungserfassung und insbesondere jene, die mehrere Aufnehmer unterschiedlicher Eigenschaften verwenden.The invention relates to acceleration detection devices and in particular to those using several sensors with different characteristics.
Es ist bereits eine Vorrichtung mit einem kapazitiven Aufnehmer (Patentanmeldung FR-A-94 05751) bekannt, welcher dank seiner Hysterese eine Speicherung von Erschütterungen sicherstellt, eine elektrisch programmierbare Auslöseschwelle besitzt, eine elektronische Rückstellung auf Null ermöglicht, und sich gut für eine Diagnose in kurzen Abständen eignet; nach einem ersten Gesichtspunkt schlägt die Erfindung eine Erfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 vor.A device is already known with a capacitive sensor (patent application FR-A-94 05751) which, thanks to its hysteresis, ensures the storage of shocks, has an electrically programmable trigger threshold, allows electronic resetting to zero and is well suited to diagnosis at short intervals; according to a first aspect, the invention proposes a detection device according to claim 1.
Ein derartiger Aufnehmer kann eine sehr kurze Ansprechzeit haben, da sein Hub sehr kurz und seine natürliche Grenzfrequenz einstellbar ist. Die Grenzfrequenz kann über 500 Hz liegen. Der Hub zwischen Ruhelage und Anschlag kann einige Mikron betragen. Diese Schnelligkeit stellt einen Vorteil im Vergleich zu den klassischen Aufnehmern im Fall seitlicher Zusammenstöße (oder frontaler Zusammenstöße bei kleinen Fahrzeugen mit kurzer Motorhaube) dar, bei denen dieSuch a sensor can have a very short response time because its stroke is very short and its natural cut-off frequency is adjustable. The cut-off frequency can be over 500 Hz. The stroke between rest and stop can be a few microns. This speed is an advantage compared to conventional sensors in the case of side impacts (or frontal impacts in the case of small vehicles with a short bonnet), where the
Entscheidung zur Auslösung des Sacks 5 ms nach dem Aufprall getroffen werden muß.The decision to release the bag must be made 5 ms after impact.
Überdies gibt es zahlreiche Anwendungen, bei denen man über die Ausgangssignale mehrerer verschiedener Aufnehmer verfügen muß.In addition, there are numerous applications where the output signals of several different sensors must be available.
Ein erstes Anwendungsbeispiel besteht aus den Auslösesystemen für aufblasbare Säcke, die sogenannten Airbags, die einen Aufnehmer zur Messung der durch einen Frontalzusammenstoß hervorgerufene Verzögerung des Fahrzeugs verwenden, und einen als "Bestätigungs-Aufnehmer" bezeichneten zweiten Aufnehmer, der empfindlicher als der erste ist. Die Auslösung des Aufblasens durch den ersten Aufnehmer ist nur dann möglich, wenn ihm auch der zweite ein Signal liefert. Diese Systeme enthalten im allgemeinen zusätzlich Diagnosevorrichtungen, die den Zustand der Aufnehmer überwachen (FR-A-2 719 906).A first example of an application is the deployment systems for inflatable bags, known as airbags, which use a sensor to measure the deceleration of the vehicle caused by a frontal collision and a second sensor, known as a "confirmation sensor", which is more sensitive than the first. Inflation can only be triggered by the first sensor if the second also sends it a signal. These systems generally also include diagnostic devices to monitor the status of the sensors (FR-A-2 719 906).
In anderen Anwendungen ist es erforderlich, nicht nur die Beschleunigungskomponente in Richtung einer einzigen Empfindlichkeitsachse zu beobachten, sondern die Komponenten von zwei oder drei verschiedenen Richtungen.In other applications it is necessary to observe not only the acceleration component in the direction of a single sensitivity axis, but the components from two or three different directions.
In vielen dieser Anwendungen ist es wesentlich, diese Ergebnisse mittels einer Vorrichtung mit geringen Abmessungen und geringen Kosten zu erreichen. Dies ist insbesondere der Fall bei Vorrichtungen zur Auslösung eines aufblasbaren Sacks.In many of these applications, it is essential to achieve these results using a small-sized and low-cost device. This is particularly the case for inflatable bag deployment devices.
Nach einem anderen Gesichtspunkt zielt die Erfindung darauf ab, eine Vorrichtung zur Erfassung der Beschleunigung mit mehreren Aufnehmern zu liefern, die diese Bedingungen erfüllt. Sie schlägt hierzu eine Vorrichtung vor, die auf einem einzigen Halbleitersubstrat enthält: einen kapazitiven integrierten Aufnehmer mit Hysterese und einer Auslöseschwelle, der eine flache, parallel zum Substrat angeordnete seismische Masse besitzt, die eineAccording to another aspect, the invention aims to provide a device for detecting acceleration with multiple sensors that meets these conditions. To this end, it proposes a device comprising on a single semiconductor substrate: a capacitive sensor integrated with hysteresis and a trigger threshold, having a flat seismic mass arranged parallel to the substrate and having a
bewegliche Elektrode eines Kondensators bildet und einer elastischen Rückstellkraft längs der Empfindlichkeitsachse sowie einer elektrostatischen Kraft unterliegt, die von einer Polarisationsspannung des Kondensators und der Position der Masse abhängt;forms a movable electrode of a capacitor and is subject to an elastic restoring force along the sensitivity axis and an electrostatic force that depends on a polarization voltage of the capacitor and the position of the mass;
- mindestens einen im Substrat integrierten weiteren Aufnehmer, der auch eine flache, parallel zum Substrat angeordnete seismische Masse enthält; und ein Netz von Leiterbahnen zur elektrischen Versorgung der Aufnehmer und zur Abgaben von Signalen.- at least one additional sensor integrated in the substrate, which also contains a flat seismic mass arranged parallel to the substrate; and a network of conductor tracks for the electrical supply of the sensors and for the emission of signals.
Der kapazitive Aufnehmer kann von der Art sein, die als besonderes Beispiel in der Patentanmeldung FR Nr. 94 05751 beschrieben ist.The capacitive sensor may be of the type described as a particular example in patent application FR No. 94 05751.
Jedoch kann der Aufnehmer in einer vorteilhaften Ausführungsform von der vorstehend festgelegten Art sein.However, in an advantageous embodiment, the sensor may be of the type defined above.
Die bewegliche seismische Masse eines solchen Aufnehmers, die zwischen zwei ortsfesten Elektroden angeordnet ist, kann also:The moving seismic mass of such a sensor, which is arranged between two stationary electrodes, can therefore:
auf etwa die gleiche Spannung wie das Substrat polarisiert sein, was das Auftreten von Kräften orthogonal zur Substratebene verhindert und den Einsatz von lediglich zwei Ausgangsanschlüssen ermöglicht; oder auf einem schwebenden Potential liegen, wobei die beiden ortsfesten Elektroden miteinander verbunden sind, was die Unabhängigkeit von parasitären Kapazitäten ermöglicht, aber einen zusätzlichen Anschluß erfordert; oder schwebend sein, wobei die beiden ortsfesten Elektroden unabhängig sind, was zwar den Nachteil eines komplizierteren Anschlusses aufweist, aber im Gegenzug auch Vorteile aufweist: die Messung ist differenziell und somit empfindlicher; die Einstellung einer Symmetrie des Detektors ist möglich (gleiche Auslöseschwellen für "positive" und "negative" Erschütterungen) durch das Anlegen der leicht unterschiedlichen Polarisationsspannungen VOl und V02 an die Elektroden; man kann einebe polarized to approximately the same voltage as the substrate, which prevents the occurrence of forces orthogonal to the substrate plane and allows the use of only two output terminals; or be at a floating potential, with the two fixed electrodes connected to each other, which allows independence from parasitic capacitances but requires an additional connection; or be floating, with the two fixed electrodes independent, which has the disadvantage of a more complicated connection but also has advantages: the measurement is differential and therefore more sensitive; it is possible to set a symmetry of the detector (same trigger thresholds for "positive" and "negative" shocks) by applying slightly different polarization voltages VOl and V02 to the electrodes; it is possible to have a
TV" &Ggr;."" 5 &Ggr;TV"&Ggr;."" 5 &Ggr;
Gegenkopplungsschleife zur Kontrolle des Frequenzgangs des Erschütterungsaufnehmers vorsehen.Provide a negative feedback loop to control the frequency response of the vibration sensor.
In jedem Fall bringt man die seismische Masse auf ein Potential nahe dem des Substrats, um Anziehungskräfte in Richtung des Substrats zu verhindern.In any case, the seismic mass is brought to a potential close to that of the substrate in order to prevent attractive forces in the direction of the substrate.
Ein derartiger Aufnehmer beinhaltet bei bestimmten Werten der Polarisationsspannung auch eine Antwort auf Beschleunigungen wie folgt:Such a sensor also includes a response to accelerations at certain values of the polarization voltage as follows:
die seismische Masse kehrt zu einer stabilen Gleichgewichtslage zurück, wenn die Beschleunigung endet, falls der maximale Wert die Auslöseschwelle nicht überschritten hat;the seismic mass returns to a stable equilibrium position when the acceleration ends, if the maximum value has not exceeded the trigger threshold;
die seismische Masse kommt in eine Anschlagsstellung und verbleibt dort, selbst im Fall des Verschwindens der Beschleunigung, wenn diese die Auslöseschwelle überschritten hat.the seismic mass comes into a stop position and remains there, even if the acceleration disappears, if it has exceeded the trigger threshold.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der andere Aufnehmer (oder mindestens ein anderer Aufnehmer) so aufgebaut, daß er eine Empfindlichkeitsachse aufweist, die zu der des kapazitiven Aufnehmers parallel verläuft, und daß er von einer Art mit einem zur Beschleunigung im wesentlichen proportionalen Ausgangssignal ist. Eine solche Vorrichtung kann insbesondere zur Auslösung des Aufblasens eines Airbags dienen im Fall eines Aufpralls in Längsrichtung, wobei der Aufnehmer mit Hysterese als Bestätigungsauf nehmer dient.In a first embodiment of the invention, the other sensor (or at least one other sensor) is designed to have a sensitivity axis parallel to that of the capacitive sensor and to be of a type with an output signal substantially proportional to the acceleration. Such a device can be used in particular to trigger the inflation of an airbag in the event of a longitudinal impact, the sensor with hysteresis serving as a confirmation sensor.
Der andere Aufnehmer kann auch ein kapazitiver Aufnehmer von der gleichen Art wie der erste sein, jedoch eine andere Auslöseschwelle aufweisen: indem man auf dem gleichen Substrat zwei bis sechs Aufnehmer vorsieht, die für gleichmässig ansteigende Auslöseschwellen kalibriert sind, kann man eine quasi-analoge Angabe der Intensität einer Erschütterung, und zusätzlich eine zuverlässige Information erhal-The other sensor can also be a capacitive sensor of the same type as the first, but with a different trigger threshold: by providing two to six sensors on the same substrate, calibrated for equally increasing trigger thresholds, it is possible to obtain a quasi-analog indication of the intensity of a shock, and, in addition, reliable information.
ten. Ein derartiger Aufbau eignet sich insbesondere für Systeme zum Auslösen eines Airbags in Folge eines seitlichen Aufpralls.Such a structure is particularly suitable for systems for triggering an airbag following a side impact.
In einer weiteren Ausfuhrungsform hat der andere Aufnehmer oder ein anderer Aufnehmer den gleichen Aufbau wie der erste, aber eine orthogonale Empfindlichkeitsachse. Ein dritter Aufnehmer, der für Beschleunigungen in Richtung einer zur Substratebene orthogonalen Achse empfindlich ist, kann auch noch vorgesehen sein.In a further embodiment, the other sensor or another sensor has the same structure as the first, but an orthogonal sensitivity axis. A third sensor, which is sensitive to accelerations in the direction of an axis orthogonal to the substrate plane, can also be provided.
Die obengenannten sowie weitere Eigenschaften werden durch die nachfolgende Beschreibung besonderer Ausfuhrungsformen der Erfindung besser verständlich, welche als nicht beschränkende Beispiele angegeben sind. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügte Zeichnung:The above and other characteristics will be better understood from the following description of particular embodiments of the invention, which are given as non-limiting examples. The description refers to the attached drawing:
Figur 1 ist eine schematische Darstellung, die die Grossen aufzeigen soll, welche den Betrieb eines kapazitiven Aufnehmers mit Hysterese gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform beeinflussen;Figure 1 is a schematic representation intended to illustrate the quantities affecting the operation of a capacitive sensor with hysteresis according to an advantageous embodiment;
Figur 2 stellt einen repräsentativen Verlauf der Kraft F dar, die auf die bewegliche Masse ausgeübt wird, in Abhängigkeit ihrer Lage &khgr; und in Abwesenheit einer äußeren Beschleunigung;Figure 2 shows a representative curve of the force F exerted on the moving mass, depending on its position &khgr; and in the absence of external acceleration;
Figur 3 ist eine vereinfachte Draufsicht, die eine Mikrostruktur eines kapazitiven Aufnehmers und der Verbindungen mit seinen Ausgängen darstellt; Figur 4 zeigt eine mögliche Anordnung eines kapazitiven Aufnehmers mit Hysterese und eines proportionalen Aufnehmers Seite an Seite, welche auf dem gleichen Chip mit der gleichen Technologie hergestellt sind; Figur 5 zeigt einen möglichen Aufbau von Verarbeitungsschaltkreisen, die mit den Aufnehmern aus Figur 4 verbunden sind;Figure 3 is a simplified plan view showing a microstructure of a capacitive sensor and the connections to its outputs; Figure 4 shows a possible arrangement of a capacitive sensor with hysteresis and a proportional sensor side by side, fabricated on the same chip with the same technology; Figure 5 shows a possible layout of processing circuits connected to the sensors of Figure 4;
Figur 6 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht, die die relative Anordnung des Substrats und einer Schutzabdeckung zeigt;Figure 6 is a simplified perspective view showing the relative arrangement of the substrate and a protective cover;
Figur 7 zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zur Messung der Beschleunigung mit mehreren Aufnehmern mit Hysterese, die verschiedene Auslöseschwellen aufweisen;Figure 7 shows schematically the basic structure of a device for measuring acceleration with several sensors with hysteresis that have different trigger thresholds;
Figur 8 zeigt den Aufbau eines kapazitiven Aufnehmers mit Hysterese und einer Empfindlichkeitsachse in der Substratebene sowie eines Aufnehmers mit Hysterese und einer Empfindlichkeitsachse, die orthogonal zur Substratebene liegt, Seite an Seite,-Figure 8 shows the structure of a capacitive sensor with hysteresis and a sensitivity axis in the substrate plane and a sensor with hysteresis and a sensitivity axis that is orthogonal to the substrate plane, side by side.
Figur 8A ist ein Querschnitt längs der Linie A-A in Figur 8;Figure 8A is a cross-section taken along line A-A in Figure 8;
Figuren 9A bis 9E zeigen die aufeinanderfolgenden Schritte einer möglichen Herstellungsweise der Vorrichtung ;Figures 9A to 9E show the successive steps of a possible manufacturing method of the device ;
Figur 10 zeigt eine Vorrichtung, deren Aufnehmer mit Hysterese eine Gegenkopplungsschleife aufweist; und Figur 11 ist ein Diagramm, das die Auswirkungen der Gegenkopplungsschleife zeigt.Figure 10 shows a device whose hysteretic transducer has a negative feedback loop; and Figure 11 is a diagram showing the effects of the negative feedback loop.
Alle Ausführungsformen der Erfindung enthalten wenigstens einen integrierten kapazitiven Aufnehmer mit Hysterese, für den als erstes eine vorteilhafte Ausführungsform zusammen mit seiner Funktionsweise beschrieben wird.All embodiments of the invention contain at least one integrated capacitive sensor with hysteresis, for which an advantageous embodiment is first described together with its mode of operation.
Der Aufnehmer, dessen grundsätzlicher Aufbau in Figur 1 gezeigt ist, enthält eine seismische Masse 10, die die bewegliche Elektrode eines Doppelkondensators bildet, dessen ortsfeste Elektroden, 12 und 14, die bewegliche Elektrode umrahmen. Wegen des integrierten Aufbaus des Aufnehmers ist es vorzuziehen, die seismische Masse auf einer Spannung nahe der des Substrats zu halten, um das Auftreten von Kräften zu vermeiden, die die Masse in Richtung des Substrats ziehen. Die ortsfesten Elektroden werden also auf einer Polarisationsspannung Vo gebracht. Die mechanischen Verbindungsmittel zwischen der Masse und dem Substrat, welche schematisch durch eine Feder dargestellt sind, üben auf die Masse eine Rückstellkraft -kx aus, wobei &khgr; die Auslenkung der Masse bezüglich einer Ruhelage in Abwesenheit ei-The sensor, whose basic structure is shown in Figure 1, comprises a seismic mass 10 which forms the movable electrode of a double capacitor whose fixed electrodes, 12 and 14, frame the movable electrode. Because of the integrated structure of the sensor, it is preferable to keep the seismic mass at a voltage close to that of the substrate in order to avoid the occurrence of forces pulling the mass towards the substrate. The fixed electrodes are thus brought to a polarization voltage Vo. The mechanical connection means between the mass and the substrate, which are schematically represented by a spring, exert on the mass a restoring force -kx, where x is the deflection of the mass with respect to a rest position in the absence of a
ner Polarisation und einer Beschleunigung, und k die Steifigkeit der Verbindungsmittel darstellt.polarization and acceleration, and k is the stiffness of the connecting elements.
Wenn sie einer konstanten Beschleunigung y in Richtung der Empfindlichkeitsachse ausgesetzt ist, nimmt die seismische Masse m eine Gleichgewichtslage bei einer Auslenkung &khgr; gemäß der folgenden Gleichung ein:When subjected to a constant acceleration y in the direction of the sensitivity axis, the seismic mass m assumes an equilibrium position at a displacement χ according to the following equation:
mf = - kx + £(SVo2/2)/(d1 - x)2 - £(SVo2/2)/(d2 +x)2 mf = - kx + £(SVo 2 /2)/(d 1 - x) 2 - £(SVo 2 /2)/(d 2 +x) 2
wobei:where:
S die den Elektroden gegenüberliegende Oberfläche darstellt; undS represents the surface opposite the electrodes; and
d-j_ und d2 die Spaltbreiten darstellen.d-j_ and d 2 represent the gap widths.
Die Spannung Vo ist so gewählt, daß die Masse für f = O bei der Auslenkung Xq eine stabile Lage einnimmt. Figur 2 zeigt, daß auch zwei instabile Gleichgewichtslagen für die Auslenkungen X1 und x2 existieren, sowie eine Beschleunigungszone 7, außerhalb derer die bewegliche Elektrode dazu neigt, an einer der Elektroden 12 und 14 haften zu bleiben. Um dies zu verhindern, wird man im allgemeinen Anschläge einsetzen, die die Auslenkung auf die Werte b^ und b2 begrenzen {Figuren I-und 2), welche jeweils zwischen X1 und d-j_ bzw. zwischen x2 und d2 liegen.The voltage Vo is chosen so that the mass assumes a stable position for f = 0 at the deflection Xq. Figure 2 shows that there are also two unstable equilibrium positions for the deflections X 1 and x 2 , as well as an acceleration zone 7 outside of which the movable electrode tends to stick to one of the electrodes 12 and 14. To prevent this, stops are generally used which limit the deflection to the values b^ and b 2 (Figures 1 - and 2), which lie respectively between X 1 and d-j_ and between x 2 and d 2 .
Die Existenz der Zone 7 verdeutlicht, daß der Aufnehmer eine Hysterese aufweist. Wenn diese Beschleunigungszone einmal verlassen wird, geht die Masse in den Anschlag und bleibt dort. In Abwesenheit einer Beschleunigung kehrt die Masse nur dann in die Zone 7 zurück, wenn Vo ausreichend verringert oder unterdrückt wird. Die Kalibrierung des Aufnehmers wird durch den Abgleich von Vo bewirkt, der insbesondere die Ausdehnung von 7 festlegt.The existence of zone 7 shows that the transducer has a hysteresis. Once this acceleration zone is left, the mass goes to the stop and remains there. In the absence of acceleration, the mass returns to zone 7 only if Vo is sufficiently reduced or suppressed. The calibration of the transducer is carried out by adjusting Vo, which in particular defines the extension of 7.
Nun wird ein Aufbau des Aufnehmers beschrieben, der seine Integration auf Silizium zusammen mit einem proportionalenNow a construction of the sensor is described, which allows its integration on silicon together with a proportional
Aufnehmer ermöglicht, um zum Beispiel das empfindliche Element eines Systems zur Auslösung eines Airbag durch einen Aufprall in Längsrichtung zu bilden. Diese Anwendung erfordert eine weit vorangetriebene Miniaturisierung und mehrere andere Bedingungen. Es muß insbesondere für folgendes Sorge getragen werden:sensor to form, for example, the sensitive element of a system for deploying an airbag in the event of a longitudinal impact. This application requires a great deal of miniaturization and several other conditions. In particular, the following must be taken into account:
eine minimale Geometrie, die jedoch mit den derzeitigen Technologien zur Herstellung von Mikromechanik, zum Beispiel 3 jiim, kompatibel bleibt,a minimal geometry that remains compatible with current micromechanical manufacturing technologies, for example 3 jiim,
eine große seismische Masse und eine geringe Steifigkeit, um die mechanischen Störungen auszufiltern und eine gute Empfindlichkeit zu erreichen, eine große Kapazitätsänderung, um die elektronischen Verarbeitungsschaltkreise zu vereinfachen und die Unempfindlichkeit gegen Rauschen zu erhöhen, eine starke Symmetrie, um die Auswirkung von Querbeschleunigungen zu begrenzen,a large seismic mass and low stiffness to filter out mechanical disturbances and achieve good sensitivity, a large capacitance change to simplify the electronic processing circuits and increase noise immunity, a strong symmetry to limit the effect of lateral accelerations,
eine minimale Größe, um die Kosten für den Fall einer Fertigung in Losen auf einer Scheibe zu verringern,
eine Auslöseschwelle, die wenig empfindlich für Schwankungen von Vo ist,
Beständigkeit gegen starke Erschütterungen.a minimum size to reduce costs in the case of batch production on a disc, a trigger threshold that is not very sensitive to variations in Vo,
Resistance to strong shocks.
Ein symmetrischer Aufnehmer (d-j_ = d2) entspricht diesen Kriterien am besten. In der Tat ist bei identischer Masse, Steifigkeit und Elektrodenoberfläche die Änderung der Auslöseschwelle y^ oder ^2 mit Vo für den symmetrischen Aufnehmer geringer. Desweiteren erlaubt der symmetrische Aufnehmer bei gegebenen Abmessungen die Maximierung der viskosen Dämpfung, die von dem Gas zwischen den Elektroden herrührt .A symmetrical transducer (d-j_ = d2) best meets these criteria. Indeed, for identical mass, stiffness and electrode surface, the variation of the trigger threshold y^ or ^2 with Vo is smaller for the symmetrical transducer. Furthermore, for a given size, the symmetrical transducer allows the viscous damping resulting from the gas between the electrodes to be maximized.
Figur 3 zeigt die hauptsächlichen Elemente, aus denen sich ein Aufnehmer mit Hysterese zusammensetzt, der einen prinzipiellen Aufbau nach Figur 1 aufweist. Er enthält die seismische Masse 10, die mit den Anschlüssen 18 verbunden ist, und über vier Aufhängungsarme 16 formschlüssig mit einem nicht dargestellten Sockel verbunden ist, wobei dieFigure 3 shows the main elements that make up a hysteresis sensor that has a basic structure as shown in Figure 1. It contains the seismic mass 10, which is connected to the connections 18 and is positively connected to a base (not shown) via four suspension arms 16, the
Aufhängungsarme gegebenenfalls durch eine Faltung verdoppelt sein können. Die beiden Arme, die sich am gleichen Ende der seismischen Masse 10 befinden, sind zwischen einem Zentralkörper 16 der Masse und dem Anschluß 18 angebracht, der formschlüssig mit dem Sockel verbunden ist.Suspension arms can be doubled by folding if necessary. The two arms, which are located at the same end of the seismic mass 10, are mounted between a central body 16 of the mass and the connection 18, which is positively connected to the base.
Die Elektroden 12 und 14 werden aus zwei Kämmen gebildet, die jeweils auf einer Seite des Körpers angeordnet sind und miteinander durch eine Leiterbahn 20 verbunden sind, die mit einem Anschluß 22 endet, welcher zur Verbindung mit externen Schaltkreisen dient. Die beweglichen Elektroden sind von zwei anderen Kämmen 23 gebildet, die am Körper befestigt und bezüglich der ortsfesten Kämme dachziegelartig oder interdigital angeordnet sind.The electrodes 12 and 14 are formed by two combs, each arranged on one side of the body and connected to each other by a conductor track 20 ending in a terminal 22 used for connection to external circuits. The movable electrodes are formed by two other combs 23, fixed to the body and arranged in a shingle-like or interdigital manner with respect to the fixed combs.
Ein Aufnehmer mit Hysterese 24 von der obengenannten Art und ein Aufnehmer mit proportionalem Ausgang 26 können Seite an Seite auf einem Siliziumchip 28, wie in Figur 4 schematisch gezeigt, angeordnet werden, und mit Signalverarbeitungsschaltkreisen der in Figur 5 gezeigten Art verbunden werden. Im allgemeinen wird man dem "tristabilen" Aufnehmer mit Hysterese eine Resonanzfrequenz geben, die weit unter der des proportionalen Aufnehmers liegt.A hysteretic transducer 24 of the type mentioned above and a proportional output transducer 26 can be placed side by side on a silicon chip 28 as shown schematically in Figure 4 and connected to signal processing circuits of the type shown in Figure 5. In general, the "tristable" hysteretic transducer will be given a resonance frequency well below that of the proportional transducer.
Nur fünf Ausgänge sind für die Verbindungen zwischen den Aufnehmern und den Verarbeitungsschaltkreisen erforderlich. Der Ausgangsanschluß GD ist eine gemeinsame Masse für beide Aufnehmer. Der Ausgangsanschluß SF liefert ein Ungleichgewichtssignal des Aufnehmers mit Hysterese. Die Ausgangsanschlußfläche ME liefert das Meßsignal des proportionalen Aufnehmers 26, dessen Elektroden über FEl und FE2 mit einem Ansteuerungsschaltkreis 3 0 verbunden sind. Der proportionale Aufnehmer und sein Verarbeitungsschaltkreis, die von der im Dokument EP-A-O 149 572 beschriebenen Art sein können sind, werden nicht im einzelnen beschrieben.Only five outputs are required for the connections between the sensors and the processing circuits. The output terminal GD is a common ground for both sensors. The output terminal SF provides an unbalance signal of the sensor with hysteresis. The output pad ME provides the measurement signal of the proportional sensor 26, the electrodes of which are connected via FEl and FE2 to a control circuit 30. The proportional sensor and its processing circuit, which can be of the type described in document EP-A-0 149 572, are not described in detail.
Der Verarbeitungsschaltkreis der Signale, die vom Aufnehmer 24 kommen, kann von der Art sein, die bereits in der Pa-The processing circuit of the signals coming from the sensor 24 can be of the type already described in the pa-
tentanmeldung FR 94 05751 beschrieben ist, und die eine zyklische Arbeitsweise hat, zeitmultiplexend verwendet und in dem Siliziumsubstrat integriert werden kann.patent application FR 94 05751, which has a cyclic mode of operation, can be used in a time-multiplexed manner and can be integrated in the silicon substrate.
Aus diesem Grund wird der Verarbeitungsschaltkreis mit geschalteten Kondensatoren, der in Figur 5 gezeigt ist, nur zusammenfassend beschrieben. Die Schalter 321 und 322 erhalten Taktimpulse mit einer Frequenz, die in der Größenordnung von 50 kHz sein kann, während derer sie geschlossen sind. Während der, zu den vorangegangenen komplementären Zeitintervalle, sind es die Schalter 34·. und 34-,, die geschlossen sind, wobei sie jedoch Schutzintervalle frei lassen. Die Polarosationsspannung Vo wird durch einen Schaltkreis 36 festgelegt, der an einem Eingang 38 ein Signal zur Einstellung der Funktionsschwelle erhält, welches numerisch sein kann. Ein zweiter Eingang 40 erhält ein Signal, welches ebenfalls numerisch sein kann, nur zwei Bit umfassen kann und die Wahl zwischen der Funktionsschwellenspannung Vo oder einer Testspannung oder ferner einer Spannung erlaubt, deren Wert im Hinblick auf eine erneute Initialisierung im wesentlichen Null beträgt. Der Ausgang des Aufnehmers 24 wird von einem bistabilen Schalter 42 geliefert, der an einem seiner Eingänge die Summe aus dem Ausgangssignal des Aufnehmers und einer komplementären Spannung V^ erhält. Zwischen den Meßintervallen ermöglicht ein Addierer, an die kapazitive Brücke, die aus dem Aufnehmer 24 und einem externen Kondensator 45 besteht, eine Spannung Vq + V anzulegen. Die Spannung VD ist so gewählt, daß die Steifigkeit ke größer als k wird und eine Bewegung gegen den Anschlag hervorruft, sodaß ein Funktionsstest ermöglicht wird. Der aktive Teil der Vorrichtung ist gegen Staub und Feuchtigkeit durch eine Abdeckung 44 geschützt, die ihrerseits auch aus Silizium gebildet sein kann, welches vorteilhafterweise dotiert und durch Kleben mittels eines Dichtungsbandes aus isolierendem Harz auf den Sockel aufgebracht wird. Die Linie 46 in Figur 4 zeigt den Verlauf des Bandes, das eine Dicke von lediglich einigen Mikron aufweisen kann. Figur 4 zeigt auch, daß eine Trennrippe 48 zwi-For this reason, the switched capacitor processing circuit shown in Figure 5 will only be described in summary. The switches 32 1 and 32 2 receive clock pulses at a frequency which can be of the order of 50 kHz, during which they are closed. During the time intervals complementary to the previous ones, it is the switches 34· and 34- which are closed, but leaving guard intervals free. The polarization voltage Vo is fixed by a circuit 36 which receives at an input 38 a signal for setting the operating threshold, which can be numerical. A second input 40 receives a signal which can also be numerical, can comprise only two bits and allows the choice between the operating threshold voltage Vo or a test voltage or, furthermore, a voltage whose value is substantially zero for the purpose of re-initialization. The output of the sensor 24 is supplied by a bistable switch 42 which receives at one of its inputs the sum of the output signal of the sensor and a complementary voltage V^. Between measurement intervals, an adder enables a voltage Vq + V to be applied to the capacitive bridge formed by the sensor 24 and an external capacitor 45. The voltage V D is chosen so that the stiffness k e becomes greater than k and causes a movement towards the stop, thus enabling a functional test. The active part of the device is protected against dust and moisture by a cover 44 which can itself also be made of silicon, which is advantageously doped and applied to the base by gluing using a sealing strip of insulating resin. The line 46 in Figure 4 shows the course of the strip which can have a thickness of only a few microns. Figure 4 also shows that a separating rib 48 is provided between the
sehen den beiden Aufnehmern verbleibt, sodaß sie gegeneinander isoliert sind. Im Fall der Herstellung nach einem im folgenden beschriebenen Verfahren kann diese Rippe während des Ätzens des epitaktischen Siliziums ausgespart werden.between the two sensors so that they are isolated from each other. In the case of manufacture according to a process described below, this rib can be left out during the etching of the epitaxial silicon.
Auch kann das Harzband die beiden Aufnehmer trennen, die in zwei Vertiefungen aufgebaut sein können. Auf diese Weise werden Gleichtaktfehler minimiert. Der Ausschnitt 50 der Abdeckung, der den Zugang zu den Ausgangsanschlüssen erlaubt, kann problemlos durch anisotropes Ätzen ausgeführt werden.The resin tape can also separate the two sensors, which can be constructed in two recesses. In this way, common mode errors are minimized. The cutout 50 of the cover, which allows access to the output terminals, can easily be made by anisotropic etching.
Die beiden Verbindungen des Aufnehmers 24 (sowie die Verbindungen des Aufnehmers 26) müssen zum Anschluß an die Anschlußflächen GD und SF das Klebeband durchdringen. Diese Anschlüsse können problemlos in Form dotierter Siliziumbahnen ausgeführt werden, die von der Abdeckung und den anderen Bahnen durch das Dichtungsband 46 getrennt sind.The two connections of the transducer 24 (as well as the connections of the transducer 26) must penetrate the adhesive tape to connect to the connection surfaces GD and SF. These connections can easily be made in the form of doped silicon tracks which are separated from the cover and the other tracks by the sealing tape 46.
Die Tatsache, daß der Aufnehmer mit Hysterese zum Betrieb nur zwei Ausgangsanschlüsse benötigt, und daß jeder weitere Aufnehmer des gleichen Typs, der mit dem gleichen Sockel integriert ist, nur einen Anschluß erfordert {da eine gemeinsame Masse verwendet wird), stellt einen beachtlichen Vorteil im Hinblick auf die Ausbeute bei der Herstellung dar.The fact that the hysteresis transducer requires only two output terminals to operate, and that each additional transducer of the same type integrated with the same socket requires only one terminal (since a common ground is used), represents a considerable advantage in terms of manufacturing yield.
In der Ausführungsform, die in Figur 4 gezeigt ist, sind ein Aufnehmer mit Hysterese und ein proportionaler Aufnehmer mit der gleichen Empfindlichkeitsachse auf dem gleichen Substrat integriert. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere in Systemen zur Steuerung von Seiten-Airbags Anwendung finden können, sind mehrere Aufnehmer mit Hysterese 24-^, 242, . . ., 24n mit der gleichen Empfindlichkeitsachse und unterschiedlichen Schwellwerten auf dem gleichen Substrat integriert.In the embodiment shown in Figure 4, a hysteresis sensor and a proportional sensor with the same sensitivity axis are integrated on the same substrate. In another embodiment of the invention, which can be used in particular in systems for controlling side airbags, several hysteresis sensors 24-^, 24 2 , . . ., 24 n with the same sensitivity axis and different threshold values are integrated on the same substrate.
Ol "UO Ol "UO
OlOil
Für &eegr; Aufnehmer werden &eegr; + 1 Ausgangsanschlüsse und &eegr; verschiedene Schaltkreise 521,.../ 52n benötigt. Bestimmte Funktionen können geteilt oder gemultiplext werden, insbesondere die Auslesefunktion und die Testfunktion. Die Spannungen V und Vtn können auch gemeinsam verwendet werden. Um verschiedene Auslöseschwellen zu erreichen, kann entweder die Geometrie der Aufnehmer, und insbesondere die Steifigkeit der Arme 16, oder die Polarisationsspannung VQ variiert werden. Für sich allein ermöglicht die Einstellung der Spannung Vq eine Regeldynamik von bis zu 10/1. Mit vier oder fünf Aufnehmern, die regelmäßig ansteigende Schwellen aufweisen, läßt sich eine guasi-analoge Angabe der Aufprallintensität erreichen. Die Auswerteelektronik 54 kann eine Logik 56 enthalten, die nicht nur eine Entscheidung über die Auslösung an einem Ausgang 60 liefert, sondern auch eine Prüfung der Kohärenz zwischen den Aufnehmerausgängen durchführt und ein Bestätigungsanzeige an einem Ausgang 62 liefert. Die Logik kann auch die zyklischen Testsignale T1, T2, ..., Tn liefern.For η transducers, η + 1 output terminals and η different circuits 52 1 ,... / 52 n are required. Certain functions can be shared or multiplexed, in particular the readout function and the test function. The voltages V and V tn can also be used together. To obtain different trigger thresholds, either the geometry of the transducers, and in particular the stiffness of the arms 16, or the polarization voltage V Q can be varied. By itself, the adjustment of the voltage Vq enables a control dynamic of up to 10/1. With four or five transducers having regularly increasing thresholds, a guasi-analog indication of the impact intensity can be obtained. The evaluation electronics 54 can contain a logic 56 which not only provides a trigger decision at an output 60, but also carries out a check of the coherence between the transducer outputs and provides a confirmation indication at an output 62. The logic can also provide the cyclic test signals T 1 , T 2 , ..., T n .
Die Figuren 9A bis 9E zeigen die aufeinanderfolgenden Schritte einer möglichen Herstellungsweise der Mikrostruktur der Vorrichtung in Losen auf einer monokristallinen Siliziumscheibe, die vorteilhafterweise stark dotiert ist und in geringer Tiefe (einige Zehntel Mikron) eine dünne Oxidschicht 90 enthält.Figures 9A to 9E show the successive steps of a possible method of manufacturing the microstructure of the device in batches on a monocrystalline silicon wafer, which is advantageously heavily doped and contains a thin oxide layer 90 at a shallow depth (a few tenths of a micron).
Im Verlauf eines ersten Schrittes werden Kontaktöffnungen 92 in der Silizium-Oberflächenschicht und in der SiO2-Schicht erzeugt (Figur 9A), und danach wird die Oberflächenschicht 94 durch epitaxiales Aufwachsen verdickt. Danach werden oberflächlich Verunreinigungen (zum Beispiel Bor) implantiert, um das Silizium an der Oberfläche leitfähig zu machen und eine elektrische Verbindung zwischen dem Substrat und der verdickten Schicht 94 herzustellen. Durch tiefes Ätzen der Schicht werden Gräben 96 gebildet, die zur Isolation einer Bahn zum Anschluß des Siliziumsubstrats an den Ausgangs GD bestimmt ist. Durch feuchte thermische Oxi-In the course of a first step, contact openings 92 are created in the silicon surface layer and in the SiO 2 layer (Figure 9A), and then the surface layer 94 is thickened by epitaxial growth. Subsequently, impurities (for example boron) are implanted on the surface in order to make the silicon conductive on the surface and to establish an electrical connection between the substrate and the thickened layer 94. By deep etching of the layer, trenches 96 are formed which are intended to insulate a track for connecting the silicon substrate to the output GD. By wet thermal oxidation
dation und durch Abscheidung von Oxid mittels eines CVD-Verfahrens werden die Gräben geschlossen und die Schicht durch Oxid abgedeckt (Figur 9C). Die oberflächliche Oxidschicht wird daraufhin entfernt. Es wird eine oberflächliche Schicht aus Siliziumnitrid 98 gebildet. Mittels Photolithographie erzeugt man Öffnungen 100, die für die Aufnahme von Metallablagerungen 102 bestimmt sind, welche die Ausgangsanschlüsse bilden werden. Durch tiefes Ätzen werden Spalte 102 bis hin zum Substrat geschnitten, die zur Abgrenzung der seismische Masse 10 vorgesehen sind. Die seismische Masse wird daraufhin durch Entfernen des Oxids, das sie mit dem Substrat verbindet, mittels abtragenden Ätzens (trockenes oder feuchtes Ätzen, zum Beispiel mit Flußsäure) freigelegt. Auf diese Weise erreicht man den Aufbau nach Figur 9D. Danach kann die Abdeckung auf einem Verbindungsrahmen aufgebracht werden, der aus einem Harzband gebildet ist (Figur 9E).dation and by depositing oxide using a CVD process, the trenches are closed and the layer is covered with oxide (Figure 9C). The surface oxide layer is then removed. A surface layer of silicon nitride 98 is formed. By means of photolithography, openings 100 are created, intended to receive metal deposits 102, which will form the output terminals. By deep etching, gaps 102 are cut down to the substrate, intended to delimit the seismic mass 10. The seismic mass is then exposed by removing the oxide that connects it to the substrate by means of ablative etching (dry or wet etching, for example with hydrofluoric acid). In this way, the structure according to Figure 9D is obtained. The cover can then be applied to a connecting frame formed from a resin strip (Figure 9E).
Durch Anwenden der Mikro-Bearbeitungstechnik, die soeben beschrieben wurde, kann man problemlos Lose von Vorrichtungen mit jeweils mindestens einem Aufnehmer mit Hysterese realisieren, dessen bewegliche Einheit (seismische Masse und bewegliche Elektrode) eine Masse von etwa 10 &mgr;g aufweist. Man kann eine Kapazität in der Größenordnung von 1,41 Pikofarad erreichen. Die Arme können eine Steifigkeit in der Größenordnung von 1,5 N/m aufweisen, wobei sich mit symmetrischen Spaltbreiten d-, und d-, von 3 um eine Resonanzfrequenz von etwa 2 kHz ergibt. Im allgemeinen hat man festgestellt, daß es vorteilhaft ist, eine Steifigkeit k anzusetzen, die etwa den doppelten Wert der Steifigkeit ke aufweist, welche durch die Spannung Vo hervorgerufen wird, das heißt:By applying the micro-machining technique just described, it is easy to produce batches of devices each comprising at least one hysteretic sensor, the moving unit (seismic mass and moving electrode) having a mass of about 10 μg. A capacitance of the order of 1.41 picofarads can be achieved. The arms can have a stiffness of the order of 1.5 N/m, giving a resonance frequency of about 2 kHz with symmetrical gap widths d-, and d-, of 3 μm. In general, it has been found that it is advantageous to use a stiffness k that is approximately twice the stiffness ke induced by the voltage Vo, that is:
ke = 2 <eSV0 2/d3
wobei d der gemeinsame Wert von d-i und 6.2 ist.ke = 2 <eSV 0 2 /d 3
where d is the joint value of di and 6.2 .
Allgemein muß die Steifigkeit k immer höher als ke sein, da sonst die seismische Masse keine stabile Ruhelage mehr besitzt und der Aufnehmer selbst in Abwesenheit einer Beschleunigung eine Anschlagsstellung einnimmt. In der Praxis wird man für ke stets einen Wert in der Nähe von k/2 annehmen. In general, the stiffness k must always be higher than ke, otherwise the seismic mass will no longer have a stable rest position and the transducer will assume a stop position even in the absence of acceleration. In practice, a value close to k/2 will always be assumed for ke.
Wie bereits erwähnt, können auf dem gleichen Substrat mehrere Aufnehmer mit in der Substratebene liegenden Empfindlichkeitsachsen unterschiedlicher Richtung integriert sein, die orthogonal sein können oder auch nicht. Es ist auch möglich, in dem gleichen Substrat einen beschleunigungsempfindlichen Aufnehmer mit oder ohne Hysterese zu integrieren, der eine zum Substrat orthogonale Empfindlichkeitsachse hat. Die Figuren 8 und 8A zeigen einen solchen kapazitiven Aufnehmer, der eine Empfindlichkeitsachse 64 besitzt. Der Aufnehmer hat einen solchen Aufbau, daß er mit der gleichen Technologie hergestellt werden kann wie die Aufnehmer mit in der Ebene liegenden Empfindlichkeitsachsen. Er enthält eine seismische Masse IS1, die über doppelte Arme IS1 mit den Anschlüssen 18-^ verbunden sind, wobei diese Arme Scharniere bilden, die eine Rückstellkraft erzeugen. In diesem Fall bildet die Masse 1O1 einen veränderlichen Kondensator mit einem dem Substrat gegenüberliegenden Element, das zum Beispiel von der Schutzabdeckung gebildet ist. Damit die seismische Masse empfindlich für Beschleunigungen in Richtung der Empfindlichkeitsachse 64 ist, müssen die Flügel, die beiderseits der Rotationsachse 66 liegen, welche durch die Aufhängungsarme festgelegt wird, unterschiedlich sein. Dies kann beispielsweise durch das Aussparen von Löchern 68 in einem der Flügel erreicht werden.As already mentioned, several sensors with sensitivity axes in the plane of the substrate and of different directions, which may or may not be orthogonal, can be integrated on the same substrate. It is also possible to integrate in the same substrate an acceleration-sensitive sensor with or without hysteresis, having a sensitivity axis orthogonal to the substrate. Figures 8 and 8A show such a capacitive sensor, which has a sensitivity axis 64. The sensor is of such a structure that it can be manufactured using the same technology as the sensors with sensitivity axes in the plane. It comprises a seismic mass IS 1 connected to the terminals 18-^ by double arms IS 1 , these arms forming hinges which generate a restoring force. In this case, the mass 1O 1 forms a variable capacitor with an element facing the substrate, which is formed, for example, by the protective cover. In order for the seismic mass to be sensitive to accelerations in the direction of the sensitivity axis 64, the wings located on either side of the rotation axis 66 defined by the suspension arms must be different. This can be achieved, for example, by cutting holes 68 in one of the wings.
Wenn der Aufnehmer mit Hysterese zwei ortsfeste Elektroden enthält, die auf unterschiedliche Spannungen polarisiert werden können, kann er mit einem Schaltkreis mit einer Gegenkopplungsschleife verbunden werden, die die Korrektur des Freguenzgangs erlaubt. Diese Schleife korrigiert dieIf the hysteresis transducer contains two fixed electrodes that can be polarized to different voltages, it can be connected to a circuit with a negative feedback loop that allows correction of the frequency response. This loop corrects the
Auswirkung der elektrostatischen Kräfte in einem durch ein Filter festgelegten Frequenzband.Effect of electrostatic forces in a frequency band defined by a filter.
Figur 10 zeigt einen derartigen Aufbau, der eine Schleife mit einem Tiefpaßfilter 104 an dem Analogausgang verwendet, das über einen Operationsverstärker 106 mit der beweglichen Elektrode verbunden ist, welche von der seismischen Masse gebildet wird. Die Gegenkopplungsschleife liefert den Ansteuerkreisen 108 und 110 vor einer Auslösung Spannungen, die um einen Korrekturwert von 2V verschoben sind:Figure 10 shows such a setup, which uses a loop with a low-pass filter 104 at the analog output, which is connected via an operational amplifier 106 to the movable electrode formed by the seismic mass. The negative feedback loop supplies the control circuits 108 and 110 with voltages shifted by a correction value of 2V before triggering:
VO + vp + K'vm '
VO - vp + K"vm i V O + v p + K ' v m '
V O - v p + K " v mi
wobei K die Schleifenverstärkung ist.where K is the loop gain.
Ein solcher Aufbau ermöglicht es, die Auslöseschwelle, die niedrigen Frequenzen entspricht, zu reduzieren und das Kippen in einem Frequenzbereich zu begünstigen, der dem Nutzbereich entspricht. Figur 11 zeigt zum Beispiel, daß in der Zone A die Schwelle für eine Vorrichtung mit Gegenkopplungskreis (Kurve 112) viel geringer ist als für eine tristabile Vorrichtung ohne eine solche Schleife (Kurve 114) .Such a structure makes it possible to reduce the trigger threshold corresponding to low frequencies and to encourage tilting in a frequency range corresponding to the useful range. Figure 11 shows, for example, that in zone A the threshold is much lower for a device with a negative feedback loop (curve 112) than for a tristable device without such a loop (curve 114).
Die Vorrichtung enthält eine seismische Masse (10), die aus einer Ruhelage heraus beweglich ist, in welche sie durch elastischer Mittel vorgespannt ist, und eine ortsfeste Elektrode (12, 14), die mit einer Elektrode einen Kondensator bildet, welche von der seismischen Masse getragen und so angeordnet ist, daß der Abstand zwischen der ortsfesten und der beweglichen Elektrode sich mit der Auslenkung der Masse aus ihrer Ruhelage ändert. Der Kondensator ist mit einer vorgegebenen Spannung polarisiert. Anschlagmittel begrenzen die Auslenkung der seismischen Masse aus ihrer Ruhelage auf einen Wert, so daß der Verlauf der Kraft der elastischen Mittel in Abhängigkeit von der Auslenkung der Masse aus ihrer Ruhelage und bis zum Anschlag den VerlaufThe device contains a seismic mass (10) which is movable from a rest position into which it is prestressed by elastic means, and a stationary electrode (12, 14) which forms a capacitor with an electrode which is carried by the seismic mass and is arranged in such a way that the distance between the stationary and the movable electrode changes with the deflection of the mass from its rest position. The capacitor is polarized with a predetermined voltage. Stop means limit the deflection of the seismic mass from its rest position to a value so that the course of the force of the elastic means depends on the deflection of the mass from its rest position and up to the stop.
der elektrostatischen Kraft, die vom Kondensator ausgeübt wird, in mindestens einem Punkt vor der Erreichen des Anschlags schneidet. Die ortsfeste Elektrode ist in zwei Teilen zu beiden Seiten der Elektrode angeordnet, die von der seismischen Masse getragen wird, sodaß eine Antwort erhalten wird, unabhängig von der Richtung der Beschleunigung entlang der Empfindlichkeitsachse.the electrostatic force exerted by the capacitor, at least at one point before reaching the stop. The fixed electrode is arranged in two parts on either side of the electrode supported by the seismic mass, so that a response is obtained regardless of the direction of acceleration along the sensitivity axis.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 19970528 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20000405 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20030403 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20050421 |
|
| R071 | Expiry of right |