DE68910641T2 - Selbsteichender Beschleunigungsmesser. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abfühlen von Veränderungen in der Geschwindigkeit eines Objekts, zum Beispiel eines Kraftfahrzeugs, und dazugehörige Mikroprozessor-gesteuerte Schaltkreise, um ungeachtet der Herstellungstoleranzen und Änderungen der Sensorreaktion infolge von Veränderungen in dessen Betriebsumgebung ein geeichtes Ausgangssignal bereitzustellen.
• EP-A-0261555, welches den Oberbegriff des anliegenden Anspruchs 1 bildet, offenbart einen Halbleiter-Beschleunigungsmesser, bei dem eine Masse durch eine Konsole gehalten wird, die selbst Dehnungsmeßstreifen enthält.
• FR-A-2421385 offenbart einen Beschleunigungsmesser, bei dem sich eine einseitig eingespannte Masse als Folge einer Beschleunigung zwischen zwei kapazitiven Platten bewegen kann, wobei die Platten eine elektrostatische Messung der Bewegung abgeben.
• US 3120622 offenbart einen Beschleunigungsmesser, ein piezoelektrisches Element zum Messen von Beschleunigung und ein piezoelektrisches oder elektromagnetisches Eichelement.
• Der Stand der Technik lehrt Sensoren mit einer an einem Halteträger einseitig eingespannten Fühlermasse, die durch eine Beschleunigungskraft ungefähr senkrecht zum Trägerverlauf versetzt wird. Eine Mehrzahl mit dem Träger verbundener oder in dessen Oberfläche eindiffundierter Dehnungsmeßstreifen sind in einer dem Fachmann bekannten Weise an eine Wheatstonebrücke angeschlossen, wodurch eine Ausgangsleistung erhalten wird, die einem solchen Versatz der Fühlermasse proportional ist. Leider wird die Ausgangsleistung von Dehnungsmeßstreifen durch Kriechen oder Hystereserverluste nachteilig beeinflußt. Außerdem ändert sich der Widerstand der Dehnungsmeßstreifen und folglich die Ausgangsleistung der Wheatstonebrücke sehr stark mit der Temperatur. Die Abweichung des Brückenausgangs infolge Temperatur wird weiter kompliziert, wo zum Beispiel die Fühlermasse und ihr haltender Träger aus Silizium durch Mikro-Materialbearbeitung hergestellt sind, da die Beziehung zwischen dem Ausschlag der Fühlermase und der Temperatur unbekannt ist. Dazu kommt, daß solche Sensoren typischerweise bei hohen Temperaturen hergestellt und nachfolgend abgekühlt werden, wodurch eine thermische Vorspannung darin erzeugt wird, die freigesetzt wird oder sich anderweitig zeigt, wenn die Betriebstemperatur des Sensors sich ändert. Als Folge davon muß der Sensor ständig nachgeeicht werden. Außerdem erfordern Änderungen im Herstellungsprozeß weitere Herstellungsschritte, zum Beispiel Trimmen des Sensorwiderstands, die die Stückkosten erhöhen und das Produktionsvolumen verringern.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Beschleunigungssensor und eine dazugehörige elektrische Steuerschaltung bereitzustellen, die eine Ausgabe liefert, die durch Temperaturänderungen in dessen Betriebsumgebung unbeeinflußt bleibt.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerschaltung für einen Beschleunigungssensor bereitzustellen, die automatisch Abweichungen im Sensorausgang infolge einer Änderung im Herstellungsprozeß ausgleicht, um dadurch extreme Toleranzüberwachung bei dem Sensorherstellungsprozeß überflüssig zu machen und die Notwendigkeit einer nachfolgenden Anpassung der Sensorsteuerschaltung an die spezifischen Eigenschaften eines einzelnen Sensors zu eliminieren, was bisher zum Erreichen einer richtigen Abstimmung des Sensors mit der Steuerschaltung erforderlich war.
• Erfindungsgemäß wird ein Beschleunigungsmesser bereitgestellt umfassend einen steifen Rahmen, einen von dem Rahmen ausgehenden elastischen Träger, eine relativ zu dem Rahmen durch den Träger gehaltene Fühlermasse, die auf Beschleunigung des Rahmens anspricht, um dadurch von eienr Ausgangstellung relativ zu dem Rahmen in Richtung einer zweiten Stellung maximaler Verlagerung der Fühlermasse relativ zu dem Rahmen verlagert zu werden, wodurch der Träger durchgebogen wird, einen Widerstand an dem Träger, wobei der Widerstandswert des Trägerwiderstands sich als Reaktion auf die Durchbiegung des Trägers ändert, und eine auf den Widerstandswert des Trägerwiderstands ansprechende elektrische Schaltung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, gekennzeichnet eine durch Einrichtung zum elektrostatischen Verlagern der Fühlermasse zu eienr dritten Stellung in der Mittel zwischen der ersten und der zweiten Stellung ohne Rücksicht auf Beschleunigung, wobei das Ausgangssignal der elektrischen Schaltung durch Verlagerung der Fühlermasse durch die elektrostatische Verlagerungseinrichtung zu der dritten Stellung eichbar ist.
• Der Massenschwerpunkt wird bevorzugt in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu der Ebene der Träger von der Ausgangsstellung relativ zu dem Rahmen in Richtung der zweiten Stellung relativ dazu verlagert. Jeder der haltenden Träger kann eine Mehrzahl eingegliederter Widerstände haben, deren Widerstandswert sich als Reaktion auf die Durchbiegung der Träger und folglich als Reaktion auf die Verlagerung der Fühlermasse ändert. Wo gewünscht, können die Träger eine diametrale Halterung für die Fühlermasse darstellen.
• Die Einrichtung zum elektrostatischen Verlagern der Fühlermasse von ihrer Ausgangsstellung zu einer dritten Stellung kurz vor deren zweiter Stellung umfaßt vorzugsweise Schichten aus nicht-magnetischem, elektrisch leitfähigem Material an den gegenüberliegenden Oberflächen der Fühlermasse bzw. des Rahmens. Bei der Zuführung ungleicher Ladungen an die jeweiligen Schichten wird die Fühlermasse durch das resultierende elektrostatische Feld zu der dritten Stellung in einer Weise verlagert, die analog einer Verlagerung durch ein bekanntes beschleunigendes Feld ist.
• Die elektrische Schaltung zum Erzeugen eines geeichten Ausgangssignals aus dem vorliegenden Sensor umfaßt vorzugsweise eine Wheatstonebrücke mit einem Paar Eingangs- und Ausgangsanschlüssen, die deren vier Schenkel bilden, und eine Spannungsquelle, die ein Potential über die Eingangsanschlüsse der Brücke legt. Wenigstens einer der Brückenschenkel umfaßt eine Mehrzahl von Trägerwiderständen. Zusätzlich umfaßt wenigstens ein Brückenschenkel ferner einen variablen Widerstand, dessen Widerstandswert durch eine dafür geeignete Steuereinrichtung, z.B. einen Mikroprozessor, eingestellt wird, wodurch der Bereich der über den Ausgangsanschlüssen der Brücke entwickelten Spannungen eingestellt wird, um Änderungen der Sensorbetriebstemperatur auszugleichen und um Herstellungstoleranzen entgegenzukommen.
• Die elektrische Schaltung kann weiter umfassen eine Einrichtung zum Bestimmen der über den Ausgangsanschlüssen der Brücke entwickelten Spannung, z.B. einen Analog-Digital-Wanderanschluß an dem Mikroprozessor, der mit den Brückenausgängen durch einen Differenzverstärker verbunden ist; eine Einrichtung zum Betätigen der elektrostatischen Verlagerungseinrichtung des Sensors, z.B. einen durch den Mikroprozessor betreibbaren Schalter zum Anlegen der Versorgungsspannung über die Schichten; und eine Einrichtung zum Erzeugen eines aus dem momentanen Brückenausgang gewonnenen und eingestellten geeichten Ausgangssignals, um durch Vergleichen der momentanen Änderung des Brückenausgangs infolge der Rahmenbeschleunigung mit der momentanen Änderung des Brückenausgangs infolge der elektrostatischen Verlagerung der Fühlermasse relativ zu dem Rahmen Änderungen der Sensorreaktion infolge von Änderungen in dessen Betriebstemperatur widerzuspiegeln.
• In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Bauteile bei den verschiedenen Ausführungen der vorliegenden Erfindung zu bezeichnen, ist:
• Fig. 1 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung;
• Fig. 2 eine Unteransicht der ersten Ausführung des vorliegenden Beschleunigungssensors, wobei dessen Basis entfernt ist;
• Fig. 3 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung zum Erzeugen eines geeichten Ausgangssignals von dem vorliegenden Beschleunigungssensor;
• Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Mikroprozessor-gesteuerten Schalters zum Anlegen ungleicher Ladungen an die gegenüberliegenden Aluminiumschichten des vorliegenden Sensors, wodurch die Fühlermasse des Sensors elektrostatisch relativ zu dessen Rahmen verlagert wird;
• Fig. 5 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des vorliegenden Beschleunigungssensors; und
• Fig. 6 eine Unteransicht der zweiten Ausführung des vorliegenden Beschleunigungssensors, wobei dessen Basis entfernt ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung
• Gemäß Fig. 1 und 2 umfaßt ein erstes Ausführungsbeispiel 10 des Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung einen Rahmen 12 mit einem unteren Teil oder einer Basis 14, die aus einem isolierenden Material, z.B. Pyrex, gebildet ist, und einem oberen Teil 16, der aus isolierendem Material, z.B. Silizium, gebildet ist und an der oberen Oberfläche 18 der Basis 14 durch Verkleben befestigt ist. Eine Öffnung 20 verläuft durch den oberen Teil 16 des Rahmens 12 von dessen oberer Oberfläche 22 an, um die obere Oberfläche 24 der Basis 14 freizulegen. Ein dünner ebener Abschnitt 26 aus einem Halbleitermaterial, z.B. Silizium, ist auf der oberen Oberfläche 22 des oberen Rahmens 16 befestigt, um ein Trägerpaar 28 zu bilden, das über der Öffnung 20 darin im allgemeinen parallel zu der oberen Oberfläche 24 der Basis 14 verläuft. Eine Fühlermasse 30, ebenfalls durch Mikro-Materialbearbeitung aus einem isolierenden Material, z.B. Silizium, hergestellt, ist an den freien Enden 32 der Träger 28 durch Kleben befestigt, wodurch die Fühlermasse 30 in einer einseitig eingespannten Weise relativ zu dem Rahmen 12 durch die Träger 28 gehalten wird. Alternativ werden der ebene Abschnitt 26 und die Fühlermase 30 von einem einzigen Block aus Halbleitermaterial, z.B. Silizium, mikrobearbeitet.
• Die Fühlermasse 30 ist somit frei, um von einer Ausgangsstellung relativ zu dem oberen Rahmen 16 in Richtung einer zweiten Stellung relativ dazu in einer im wesentlichen senkrechten Richtung zu der Ebene der Träger 28 als Reaktion auf eine Beschleunigung des Rahmens 12 in einer entgegengesetzten Richtung dazu verlagert zu werden. Eine Mehrzahl von Vorsprüngen oder Anschlägen 34 und 35 ragen aus der Basis 14 und dem oberen Rahmen 16 hervor, um den Betrag der Verlagerung der Fühlermasse 30 relativ zu dem Rahmen 12 zu begrenzen. Der Basisanschlag 34 bildet somit die zweite Stelle relativ zu dem Rahmen 12, zu der die Fühlermasse 30 durch eine gegebene Beschleunigung des Rahmens 12 verlagert werden kann. Der Zwischenraum 36 zwischen der Fühlermasse 30 und dem Rahmen 12 ist passend angeordnet, um ein gewünschtes Maß an Gasdämpfung für die Fühlermasse 30 bereitzustellen.
• Der vorliegende Sensor 10 umfaßt weiter eine Schicht 40 aus einem nicht-magnetischen, elektrisch leitfähigen Material, z.B. Aluminium, das z.B. durch einen CVD-Prozeß auf der oberen Oberfläche der Basis 14 aufgebracht ist. Die leitfähige Schicht 40 auf der Basis 14 verläuft somit im allgemeinen parallel zu der Ebene der haltenden Träger 28, wenn sich die Fühlermasse 30 in ihrer Ausgangstellung relativ zu dem Rahmen 12 befindet. Eine Schicht 42 aus einem nicht-magnetischen, elektrisch leitfähigen Material, z.B. Aluminium, ist auch durch z.B. einen CVD-Prozeß an der Unterseite 44 der Fühlermasse 30 aufgebracht, um in Gegenstellung zu der leitenden Schicht 40 auf die Basis 14 gelegt zu werden. Die Schichten 40 und 42 erlauben die elektrostatische Verlagerung der Fühlermasse 30 relativ zu dem Rahmen 12 in Abwesenheit eines Beschleunigungsfelds bei der Zuführung ungleicher elektrischer Ladungen an die Schichten 40 und 42, wie nachstehend beschrieben.
• Ein Widerstandspaar 46 ist jeweils als Ganzes mit jedem Träger 28 durch Dotieren ausgewählter Bereiche der oberen Oberfläche 48 jedes Trägers 28 gebildet. Die Träger können z.B. mit Bor- oder Arsenionen unter Anwendung eines CVD-Prozesses oder eines Ionenimplantationsverfahrens dotiert werden. Der Widerstand der Trägerwiderstände 46 ändert sich als Reaktion auf eine durch Verlagerung der Fühlermase 30 relativ zu dem Rahmen 12 verursachte Trägerdurchbiegung.
• Die elektrische Schaltung 50 zum Erzeugen eines geeichten Signals OUTPUT, das aus dem momentanen Widerstand der Trägerwiderstände 46 des vorliegenden Sensors 10 gewonnen wird und für Temperaturauswirkungen darauf abgeglichen ist, ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Die elektrische Schaltung 50 umfaßt eine Wheatstonebrücke 52; eine Spannungsversorgung, z.B. eine Batterie 54, die ein Potential Vs über die Eingangsanschlüsse 56 und 58 der Brücke 52 legt; einen Differenzverstärker 60, verbunden mit den Ausgangsanschlüssen 62 und 64 der Brücke 52, zum Verstärken der darüber entwickelten Spannung VOUT; und einen Mikroprozessor 60 mit zwei A/D-Wandleranschlüssen 68 zum Lesen des Ausgangs der Differenzverstärkers 60 und der momentanen Amplitude der Versorgungsspannung VS sowie einer Mehrzahl von Ausgangsanschlüssen 70 zum Steuern des Bereichs der über den Ausgängen 62 und 64 der Brücke 52 entwickelten Spannungen.
• Insbesondere sind die in die Träger 28 des Sensors 10 integrierten Trägerwiderstände 46 zwischen die Anschüsse 56, 58, 62 und 64 der Wheatstonebrücke 52 geschaltet, um deren vier Schenkel 74, 76, 78 und 80 zu bilden. Die Position jedes Trägerwiderstands 46 innernalb der Brücke 52 ist in einer den Fachleuten bekannten Weise festgelegt, um die Änderung der Brückenausgangsspannung VOUT bei Verlagerung der Fühlermasse 30 relativ zu dem Rahmen 12 zu maximieren.
• Außerdem ist ein veränderbarer Widerstand 82 in Reihe mit jedem Trägerwiderstand 46 in den unter beiden Schenkeln 78 und 80 der Brücke 52 gelegt. Bei der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung umfassen die Widerstände 82 Festwiderstände 84, die in Reihe mit den Trägerwiderständen 46 der Schenkel 78 und 80 gelegt sind, und eine Mehrzahl weiterer Festwiderstände 86, die unter Steuerung des Mikroprozessors jeweils damit parallelgeschaltet werden. Die von dem Mikroprozessors 66 betreibbaren Schalter zum Parallelschalten jedes weiteren Widerstands 86 mit einem der Reihenwiderstände 84 umfassen einen Transistor 88, dessen Emitter mit den Anschluß 58 der Brücke 52 verbunden ist, und dessen Kollektor mit dem weiteren Widerstand 86 verbunden ist. Der Mikroprozessor 66 schaltet einen weiteren Widerstand 86 durch Zuführen eines Stroms von einem Ausgang 70 an die Basis des damit verbundenen Transistors 88 mit einem der Reihenwiderstände 84 parallel.
• Der Mikroprozessor 66 ist somit imstande, Stufenänderungen im Widerstand der Schenkel 78 und 80 der Brücke 52 zu bewirken, um den Bereich der über deren Ausgangsanschlüssen 62 und 64 während des Betriebs des Sensors 10 entwickelten Spannungen zu steuern. Auf diese Weise komponsiert die elektrische Steuerschaltung 50 Änderungendes Brückenausgangs VOUT infolge Veränderungen der Sensorbetriebstemperatur zusätzlich der Anpassung an Herstellungstoleranzen der nominellen Widerstandswerte der Trägerwiderstände 46.
• Die elektrische Steuerschaltung 50 ist ferner in der Lage, den Ausgang VOUT der Brücke 52 auf einen Spannungsbereich zu begrenzen, der eine Übersteuerung des Differenzverstärkers 60 vermeidet, selbst wenn die Fühlermasse 30 durch Beschleunigung des Rahmens maximal zu der zweiten Stellung relativ dazu verlagert wird, d.h. mit dem Basisanschlag 34 in Berührung kommt. Wenn beispielsweise der Mikroprozessor 66 feststellt, daß der Brückenausgang VOUT aus dem erlaubten Bereich der Werte herausfällt, die nötig sind, um eine Übersteuerung des Differenzverstärkers 60 zu vermeiden, beginnt der Mikroprozessor 66 nacheinander die weiteren Widerstände 86 mit den Reihenwiderständen 84 der Schenkel 78 und 80 parallelzuschalten, bis der mittlere Brükkenausgang VOUT wider in den erlaubten Bereich fällt. Es wird angemerkt daß, während Figur 3 nur zwei schaltbare weitere Widerstände 86 an jedem Schenkel 78 und 80 darstellt, die Zahl der verwendeten weiteren Widerstände 86 und deren Widerstandswerte ausgewählt werden, um optimale Flexibilität und Leistung bereitzustellen.
• Es wird angemerkt, daß ein Zweck der engen Überwachung der Ausgangsspannung OUT der Brücke 52 darin besteht, der Steuerschaltung 50 zu erlauben, genau zu bestimmen, wann die Beschleunigungseingabe an den Rahmen 12 einen Schwellwert übersteigt, worauf der Ausgang OUTPUT von der Steuerschaltung 50 eine Vorrichtung, z.B. einen Airbag bei einem Personen-Rückhaltesystem eines Fahrzeugs (nicht gezeigt), auslöst. Wo ein Bereich von Brückenausgang VOUT, der sich dem Schwellwert nähert, kann somit ein zweiter Differenzverstärker (nicht gezeigt) mit einer anderen Verstärkung wie der erste Differenzverstärker 60 über die Ausgänge 62 und 64 der Brücke 52 geschaltet werden, um eine erhöhte Auflösung in bezug auf diesen Ausgangsbereich bereitzustellen. In dieser Hinsicht wird weiter angemerkt, daß weniger schaltbare weitere Widerstände 86 somit an jedem Schenkel 78 und 80 erforderlich sind, da die von den zwei Differenzverstärken bereitgestellte Redundanz die gewünschte Auflösung bereitstellt, ungeachtet der frühen Übersteuerung eines der Differenzverstärker infolge von dessen höherer Verstärkung.
• Ein laufender Mittelwert des Mikroprozessor-justierten und verstärkten Brückenausgangs (nachstehend aus Gründen der Klarheit VOUT bezeichnet) wird danach als eine Grundlinie zum Vergleich mit dem momentanen Ausgang VOUT,i eder Brücke 52 verwendet. Wo der vorliegende Sensor 10 in einem Personen-Rückhaltesystem als Beschleunigungssensor dafür benutzt wird, entsprechen die momentanen Änderungen im Brückenausgang VOUT der Verlagerung der Fühlermasse 30 infolge der Fahrzeugbeschleunigung. Eine mögliche Aufprallbedingung wird angezeigt, wenn der momentane Brückenausgang VOUT,i den mittleren Brückenausgang VOUT um einen Schwellwert überschreitet, worauf der Mikroprozessor 66 eine Aufprallbedingung annimmt, und ein mittlerer Brückenausgang VOUT wird nicht mehr berechnet. Der mittlere Brückenausgang VOUT unmittelbar vor der Anzeige einer möglichen Aufprallbedingung wird danach als Grundlinie zum Vergleich mit dem momentanen Ausgang VOUT,i verwendet, um das Fahrzeugbeschleunigungsprofil weiter auszuwerten. Wenn der momentane Ausgang VOUT,i aufhört, den Schwellwert zu übersteigen, wird ein Zähler in dem Mikroprozessor dekrementiert. Wenn der Ausgang den Schellwert für viele aufeinanderfolgende Ablessungen nicht übersteigt, löscht der Mikroprozessor die Aufprallbedingung durch Nullsetzen aller saldierender Zähler darin, und eine normale Mittelwertbildung wird wider aufgenommen.
• Der Mikroprozessor 66 ist auch mit einer Mehrzahl von Ausgangsanschlüssen 70 zum Steuern der Zuführung der ungleichen Ladungen an die leitenden Schichten 40 und 42 des Sensors 10 und zum Bereitstellen des geeichten Ausgangssignals OUTPUT versehen.
• Der Mikroprozessor 66 steuert die Zuführung der ungleichen Ladungen an die leitenden Schichten 40 und 42 des Sensors 10 durch Betätigen eines Schalters 72, der die Basisschicht 40 mit der Versorgungsspannung VS verbindet (wobei die Schicht 42 an der Fühlermasse 30 bereits permanent auf Masse gelegt ist). Ein Schaltbild eines exemplarischen Schalters 72, der die Basisschicht 40 mit der Versorgungsspannung VS verbindet und durch zwei Ausgangsanschlüsse 70 des Mikroprozessors 66, die zwei verschiedene Potentiale daran anlegen, zu betreiben ist, ist in Figur 4 dargestellt.
• Hinsichtlich der Erzeugung eines geeichten Ausgangssignals OUTPUT von dem Sensor 10 benutzt die elektrische Steuerschaltung 50 der vorliegenden Erfindung die gesteuerte elektrostatische Verlagerung der Fühlermasse 30 relativ zu dem Sensorrahmen 12, um das Ausgangssignal OUTPUT periodisch nachzueichen, um das wahr Beschleunigungsprofil des Fahrzeugs genau wiederzugeben. Insbesondere wird während der anfänglichen Eichung des Sensors 10 und der dazugehörigen Steuerschaltung 50 die momentane Änderung des Brückenausgangs VOUT, die aus einem bekannten Beschleunigungsfeld hervorgeht, wie durch vorübergehendes Ausrichten des Sensors 10 so, daß dessen Träger 28 im wesentlichen senkrecht zu dem Schwerefeld der Erde verlaufen, mit der momentanen Änderung des Brückenausgangs VOUT bei elektrostatischer Verlagerung der Sensormasse 30 durch eine bekannte Verlagerungseichspannung VD,c bei einer konstanten Eichtemperatur Tc verglichen. Das die Sensormasse 30 verlagernde elektrostatische Feld ist somit in der Form des bekannten Beschleunigungsfields, d.h. eines Einheitsschwerefelds, wirksam geeicht. Der momentane Ausgang VOUT,i der Brücke kann danach periodisch bei einer beliebigen Temperatur Ti geeicht werden durch Anlegen einer gleichen elektrostatischen Ablenkspannung VD,c über die leitenden Schichten 40 und 40 des Sensors 10 und Vergleichen der resultierenden Änderung des Brückenausgangs VOUT mit den früheren Werten davon, als die Fühlermasse 30 tatsächlich durch ein bekanntes Beschleunigungsfeld verlagert wird. Weiterhin scheint die momentane Änderung der Brückenausgangsspannung VOUT,i infolge der elektrostatischen Verlagerung der Fühlermasse 30 relativ zu dem Rahmen 12 eine Funktion der elektrostatischen Verlagerungsspannung VD und anderweitig konstanter Sensorparameter zu sein. Folglich glaubt man, daß zum Eichen des momentanen Ausgangs VOUT,i der Brücke 52 die momentane elektrostatische Verlagerungsspannung VD,i nicht gleich der ursprünglichen elektrostatischen Verlagerungsspannung VD,c zu sein braucht. Somit vermeidet die vorliegende Erfindung zusätzlich die Kosten für die andernfalls nötige enge Überwachung der elektrostatischen Verlagerungsspannung VD. Foglich verwendet die vorliegende Erfindung einfache Schalteinrichtung, z.B. die in Fig. 4 gezeigte Transistor/Widerstandsschaltung, um eine Verlagerungsspannung VD bereitzustellen, die entweder gleich der Versorgungsspannung VS oder ein Prozentsatz davon ist. Insbesondere wird eine Verlagerungsspannung VD gleich der Versorgungsspannung VS verwendet, um die Fühlermasse 30 voll zu der zweiten Stellung gegen den Basisanschlag 34 abzulenken, um die Anwesenheit von Fremdkörpern, z.B. Staubteilchen (nicht gezeigt), in dem Zwischenraum 36 zwischen der Fühlermasse 30 under der oberen Oberfläche 24 der Basis 14 zu prüfen. Eine Verlagerungsspannung VD, die eienm Prozentsatz der Versorgungsspannung VS entspricht, wird benutzt, um zum Eichen des Ausgangssignals OUTPUT die Fühlermasse 30 teilweise von ihrer Ausgangsstellung relativ zu dem Rahmen 12 in Richtung der zweiten Stellung relativ dazu zu verlagern. Wo die momentane elektrostatische Verlagerungsspannung VD,i von der ürsprünglichen Verlagerungseichspannung VD,c abweicht, liest der Mikroprozessor 66 die momentane elektrostatische Verlagerungsspannung VD,i zum Gebrauch bei der Berechnung des von der Sensormasse 30 während einer solchen elektrostatischen Verlagerung erfahrenen gleichwertigen Beschleunigungsfelds.
• Die Eichung des vorliegenden Sensors 10 und die Erzeugung des geeichten Ausgangssignals OUTPUT kann wie folgt veranschaulicht werden: bei der Sensorherstellung wird eine Schaltungsplating (nicht gezeigt), die den Sensor 10 und die zugehörige elektrische Steuerschaltung 50 umfaßt, flach auf eine Anzahl senkrecht stehender Tastköpfe gelegt, was allgemein als ein "Nagelbettest" bezeichnet wird, womit verschiedene Spannungen an der Schaltung gemessen werden, um die Vollständigkeit der Schaltung zu gewährleisten. Die Sensormase 30 wird so ausgerichtet, daß sie dem Schwerkraftfeld von 1g ausgesetzt ist und dadurch von ihrer Ausgangsstellung relativ zu dem Sensorrahmen 12 in Richtung einer zweiten Stellung relativ dazu verlagert wird. Wenn erstmals Spannung an die Platine angelegt wird, liest der Mikroprozessor verschiedene Stellen in einem angeschlossenen nichtflüchtigen speicher, z.B. einem EEPROM (nicht dargestellt). Wenn diese Werte Null sind, ist der Sensor noch nicht geeicht worden und der Mikroprozessor 66 liest den ersten Eichausgang VOUT,c1 der Brücke 52 entsprechend dem 1g Beschleunigungsfeld bei der Eichtemperatur Tc, wonach der Mikroprozessor 66 den Wert von VOUT,c1 in dem EEPROM speichert.
• Die Schaltungsplatine wird danach in ein Gehäuse (nicht gezeigt) eingebaut und darin eingekapselt, wonach die Platine nochmals bei Temperatur Tc geprüft wird, um die Unversehrtheit von Sensor und Schaltung sicherzustellen. Das Gehäuse wird in die Stellung ausgerichtet, die es nach Einbau in ein Fahrzeug einnehmen wird, wobei die Ebene der Träger 28, die die Fühlermasse 30 halten, daher im wesentlichen parallel mit dem Schwerkraftfeld verläuft, wodurch die Fühlermasse zu ihrer Ausgangstellung relativ zu dem Sensorrahmen 12 zurückkert. Der Mikroprozessor 66 prüft das EEPROM, ob der erste Eichwert VOUT,c1 enthalten ist, und stellt weiter fest, daß alle Eichkonstanten noch nicht berechnet worden sind. Der Mikroprozessor 66 liest dann den zweiten Eichausgang VOUT,c2 der Brücke 52 in Abwesenheit eines Beschleunigungsfelds und bei der Eichtemperatur Tc. Die Differenz zwischen VOUT,c1 und VOUT,c2 ist die geeichte"Empfindlichkeit" Sc des Sensors 10, d.h. die Änderung des Brückenausgangs VOUT infolge einer Beschleunigung von 1g bei Temperatur Tc.
• Mit dem Sensor 10 noch bei der Eichtemperatur Tc betätigt der Mikroprozessor 66 den Schalter 72, um eine erste Verlagerungseichspannung VD,c an die leitenden Schichten 40 und 42 des Sensors 10 anzulegen, wodurch die Sensormasse 30 elektrostatisch verlagert wird. Der Mikroprozessor 66 liest und speichert die erste Verlagerungseichspannung VD,c und ermittelt die Änderung des Brückenausgangs VOUT durch Lesen des resultierenden Brückenausgangs VOUT,D,c und davon Substrahieren den mittleren Ausgang VOUT der Brücke 52, wonach der resultierende Wert in dem EEPROM gespeichert wird.
• Das Beschleunigungsfeldäquivalent des ersten elektrostatischen Eichfelds wird dann berechnet zur Verwendung bei der Interpretation momentaner Änderungen des Brückenausgangs VOUT. Insbesondere wird das äquivalente Feld Fc (in g) durch den Mikroprozessor 66 mit der folgenden Formel berechnet:
• Fc = VOUT,D,c - VOUT/Sc
• Wo die momentane elektrostatische Eichablenkspannung VD,i gleich der ersten elektrostatischen Eichablenkspannung VD,c ist, kann die momentane Empfindlichkeit Si des Sensors 10, d.h. die momentane Änderung der Brückenausgangsspannung VOUT, die einer Beschleunigung von 1g entspricht, wie folgt berechnet werden:
• Si = VOUT,D,i - VOUT/Fc
• Wo die momentane elektrostatische Eichverlagerungsspannung VD,i nicht gleich der ersten elektrostatischen Eichverlagerungsspannung VD,c ist, bleibt die momentane Empfindlichkeit Si nichtsdestoweniger eine Funktion der elektrostatisch bewirkten momentanen Änderung des Brückenausgangs VOUT,D,i und der Sensoreichkonstanten, wobei die genaue Beziehung dazwischen durch geeignete Einrichtungen hergestellt wird.
• Es wird bemerkt, daß die erste elektrostatische Eichspannung VD,c und die momentane elektrostatische Eichspannung VD,i (wo sich die letztere von der ersteren unterscheidet) bevorzugt so gewählt werden, daß die Fühlermasse 30 nicht vollständig in Richtung der zweiten Stellung relativ zu dem Rahmen 12 verlagert wird, d.h. mit dem aus der oberen Oberfläche 24 der Basis 14 hervortretenden Anschlag 34 in Berührung kommt. Außerdem wird bemerkt, daß unter der vorliegenden Erfindung die leitende Schicht 40 auf der Basis 14 und die gegenüberliegende leitende Schicht 42 auf der Fühlermasse 30 normalerweise auf ein gleiches Potential, z.B. auf eine nominelle Spannung von +5 Volt, vorgespannt werden können. Die Fühlermasse 30 wird danach durch Erhöhen oder Vermindern des Potentials einer der Schichten 40 oder 42 elektrostatisch verlagert.
• Fig. 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführung 90 des Beschleunigungssensors der vorliegenden Erfindung. In der zweiten Ausführung 90 bilden die Träger 28 eine diametrale Halterung für die Fühlermasse 30.
• Jeder Träger 28 ist mit wenigstens einem darin integrierten Widerstand 46 versehen. Es wird bemerkt, indem Figur 6 insgesamt vier die Fühlermasse 30 haltende Träger 28 zeigt, erwägt die vorliegende Erfindung die Verwendung von nur zwei Trägern 28, um die Fühlermasse 30 diametral zu halten. Ähnlich erwägt die vorliegende Erfindung weiter die Verwendung einer Halbleiter-"Membran", um die Fühlermasse 30 zu halten, wobei ausgewählte Bereiche davon dotiert sind, um darauf eine Mehrzahl Widerstände 46 zu bilden. Es wird bemerkt, daß die Trägerwiderstände der zweiten Ausführung zwischen die Anschlüsse 56, 58, 62 und 64 der Wheatstonebrücke 52 in einer den Fachleuten bekannten Weise geschaltet sind, um die Änderung des Ausgangs daraus bei Verlagerung der Fühlermase 30 relativ zu dem Rahmen 12 zu maximieren.
• Indem die bevorzugten Ausführungen der Erfindung offengelegt worden sind, sollte anerkannt werden, daß die Erfindung Abwandlungen zuläßt, ohne von dem Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims (20)

1. Beschleunigungsmesser umfassend:

einen steifen Fahmen (12);

einen von dem Rahmen (12) ausgehenden elastischen Träger (28);

eine relativ zu dem Rahmen (12) durch den Träger (28) gehaltene Fühlermase (30), die auf Beschleunigung des Rahmens (12) anspricht, um dadurch von einer Ausgangstellung relativ zu dem Rahmen (12) in Richtung einer zweiten Stellung maximaler Fühlermassenverlagerung relativ zu dem Rahmen (12) verlagert zu werden, wodurch der Träger (28) durchgebogen wird;

einen Widerstand (46) an dem Träger (28), wobei sich der Widerstandswert des Trägerwiderstands (46) als Reaktion auf die Durchbiegung des Trägers (28) ändert; und

und eine auf den Widerstandswert des Trägerwiderstands (46) ansprechende elektrische Schaltung (Fig. 3) zum Erzeugeneines Ausgangssignals; gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (40,42) zum elektrostatischen Verlagern der Fühlermasse (30) zu einer dritten Stellung zwischen der ersten und der zweiten Stellung ohne Rücksicht auf Beschleunigung;

wobei das Ausgangssignal der elektrischen Schaltung eichbar ist durch Verlagerung der Fühlermasse (30) durch die elektrostatische Verlagerungseinrichtung (40,42) zu der dritten Stellung.

2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, bei dem der Träger (28) aus einem Halbleitermaterial gebildet ist und der Trägerwiderstand (46) einen dotierten Abschnitt des Halbleitermaterials umfaßt.

3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die elektrostatische Verlagerungseinrichtung umfaßt:

eine erste Schicht aus nicht-magnetischem elektrisch leitendem Material (42) auf der Fühlermasse (30) in Gegenüberstellung mit der ersten Schicht (40) auf dem Rahmen (12); und

eine Einrichtung zum Ablegen ungleicher elektrischer Ladungen auf der ersten (40) bzw. zweiten (42) Schicht.

4. Beschleunigungssensor nach Anspruch 3, bei dem die Einrichtung zum Ablegen ungleicher elektrischer Ladungen (72) auf den ersten (40) bzw. zweiten Schichten (42) eine schaltbar über den Schichten angeschlossene Spannungsquelle VS umfaßt.

5. Beschleunigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche mit Anschlageinrichtung (34) zum Begrenzen des Betrags der Verlagerung der Rühlermase (30) relativ zu dem Rahmen (12).

6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, bei dem die Anschlageinrichtung (34) eine Mehrzahl Vorsprünge von dem Rahmen umfaßt, die mit der Fühlermasse (30) kuppelbar sind.

7. Beschleunigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem zweiten elastischen Träger (28), der sich von dem Rahmen (12) erstreckt, um die Fühlermasse (30) zu halten, wobei die Träge (28) eine diametrale Halterung für die Fühlermasse (30) darstellen.

8. Beschleunigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche mit Gasdämpfungseinrichtung zum Dämpfen der Verlagerung der Fühlermase (30).

9. Beschleunigungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die elektrische Schaltung umfaßt:

eine Wheatstonebrücke (52) mit einem Paar Eingangsanschlüssen (56,58) und einem Paar Ausgangsanschlüssen (62,64), die deren vier Schenkel bilden, wobei wenigstens einer der Schenkel einen Trägerwiderstand (46) umfaßt;

eine Einrichtung (54) zum Einprägen eines Potentials über den Eingangsanschlüssen (56,58) der Brücke; und

eine Einrichtung (66) zum Bestimmen der über den Ausgangsanschlüssen (62,64) der Brücke entwickelten Sannung.

10. Beschleunigungssensor nach Anspruch 9, bei dem die Einrichtung zum Bestimmen der über den Ausgangsanschlüssen der Brücke entwickelten Spannung einen Mikroprozessor (66) mit Einrichtungen daran umfaßt, die mit jedem der jeweiligen Ausgangsanschlüsse verbunden sind, um die darüber entwickelte Spannung abzulesen.

11. Beschleunigungssensor nach Anspruch 10, bei dem die Einrichtung an dem Mikroprozessor (66) zum Ablesen der über den Ausgangsanschlüssen der Brücke entwickelten Spannung einen Analog-digital-Wandleranschluß (68) an dem Mikroprozessor (66) umfaßt, der mit den Ausgangsanschlüssen durch einen Differenzverstärker (60) verbunden ist.

12. Beschleunigungssensor nach Anspruch 10 oder 11, bei dem wenigstens einer der Schenkel der Brücke weiter einen ersten Widerstand (82) veränderbaren Widerstandswert umfaßt, wobei der Widerstandswert des ersten Widerstands (82) durch den Mikroprozessor (66) gesteuert wird.

13. Beschleunigungssensor nach Anspruch 12, bei dem der erste Widerstand (82) in Reihe mit einem Trägerwiderstand (46) zwischen die Anschlüsse gelegt ist, die den Schenkelder Brücke bilden.

14. Beschleunigungssensor nach Anspruch 12, bei dem der erste Widerstand (82) veränderbaren Widerstandswerts einen zweiten Widerstand (84) festen Widerstandswerts und wenigstens einen zusätzlichen Widerstand (86) festen Widerstandswerts umfaßt, wobei der oder jeder der zusätzlichen Widerstände (86) mit dem zweiten Widerstand (84) durch eine gleiche Anzahl von dem Mikroprozessor (66) betreibbarer Schalteinrichtungen parallelschaltbar sind.

15. Beschleunigungssensor nach Anspruch 14, bei dem jede der von dem Mikroprozessor (66) betreibbaren Schalteinrichtungen zum Schalten eines der zusätzlichen Widerstände (86) parallel mit dem zweiten Widerstand (84) einen Transistor (88) umfaßt, wobei der Emitter des Transistors mit eienm Anschluß der Brücke, der Kollektor des Transistors (88) mit dem zusätzlichen Widerstand (86) und die Basis des Transistors mit dem Mikroprozessor (66) verbunden ist, wodurch bei der Zuführung von Strom an die Basis des Transistors (88) durch den Mikroprozessor (66) der zusätzliche Widerstand (86) mit dem zweiten Widerstand (84) parallelschaltbar ist.

16. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem die elektrische Schaltung weiter umfaßt:

eine Einrichtung zum Betätigen der elektrostatischen Verlagerungseinrichtung (40,42);

eine Einrichtung zum Bestimmen der resultierenden Änderung in der über den Ausgangsanschlüssen (62,64) der Brücke (52) entwickelten Spannung und

eine Einrichtung zum Erzeugen eines von der über den Ausgangsanschlüssen (62,64) der Brücke (52) entwickelten momentanen Spannung abgeleiteten geeichten Ausgangssignals.

17. Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des geeichten Ausgangssignals einen Einrichtung umfaßt zum Vergleichen der Änderung in der über den Ausgangsanschlüssen (62,64) der Brücke (52) infolge Beschleunigung der Fühlermasse (30) relativ zu dem Rahmen (12) entwickelten Spannung mit der Änderung in der über den Ausgangsanschlüssen (62,64) der Brücke (52) infolge der elektrostatischen Verlagerung der Fühlermasse (30) relativ zu dem Rahmen (12) entwickelten Spannung.

18. Beschleunigungssensor nach Anspruch 16, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen des geeichten Ausgangssignals umfaßt:

eine Einrichtung zum Bestimmen der momentanen Empfindlichkeit des Sensors (10) durch Vergleichen der momentanen Änderung in der über den Ausgangsanschlüssen (62,64) der Brücke (52) infolge Beschleunigung der Fühlermasse (30) relativ zu dem Rahmen (12) entwickelten Spannung mit der Änderung in der über den Ausgangsanschlüssen (62.64) der Brücke (52) infolge der elektrostatischen Verlagerung der Fühlermasse (30) relativ zu dem Rahmen (12) entwickelten Spannung; und

eine einrichtung zum Eichen der über den Ausgangsanschlüssen (62, 64) der Brücke (52) entwickelten momentanen Spannung in Form der momentanen Empfindlichkeit.

19. Beschleunigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum elektrostatischen Verlagern der Fühlereinrichtung ein elektrostatisches Feld bereitstellt, das mit Bezug auf ein Einheitsschwerefeld geeicht ist.

20. Beschleunigungssensor nach Anspruch 17 mit Einrichtung, die auf die über den Ausgangsanschlüssen (62.64) der Brücke (52) entwickelte Spannung anspricht, zum Verändern des Widerstandswerts von einem der Schenkel der Brücke (52), wodurch die über den Ausgangsanschlüssen (62,64) der Brücke (52) entwickelte Spannung in einem gewünschten Bereich gehalten wird.