Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kalibrierten Sensoreinheit im Rahmen einer Serienfertigung mittels einer automatisierten Fertigungsanlage, wobei die Sensoreinheit einen eine seismische Masse aufweisenden Be¬ schleunigungssensor und eine zur Auswertung der Ausgangssi- gnale des Beschleunigungssensors und zur Lieferung von Be¬ schleunigungssignalen (C) dienende Elektronikeinheit enthält.

Derartige Sensoreinheiten dienen zur Messung von Beschleuni¬ gungen bzw. Verzögerungen. Sie müssen oft enge Toleranzen einhalten, besonders wenn sie z. B. zur Steuerung der Auslö¬ sung von Insassenschutzsystemen in Kfz dienen, also z. B. zur Steuerung der Auslösung von Airbags.

Bekannte Beschleunigungssensoren funktionieren nach unter- schiedlichen Prinzipien. Allen ist gemeinsam, daß das Basis¬ element aufgrund von Fertigungstoleranzen erhebliche Streuun¬ gen bezüglich der Beschleunigungsempfindlichkeit aufweist. Ein Hauptproblem solcher Sensoreinheiten ist diese ferti¬ gungstechnisch bedingte, sehr hohe Streuung ihrer Empfind- lichkeit, z.B. ausdrückbar in μV/a (= Mikrovolt pro Beschleu¬ nigungseinheit) , wobei μV der Höhe des Ausgangssignales und a der Stärke der Beschleunigung bzw. Verzögerung entspricht, die z.B. in Vielfachen der Erdbeschleunigung g gemessen wird.

Die Empfindlichkeit μV/a der einzelnen in Massenfertigung hergestellten Exemplare der Beschleunigungssensoren streuen z.B. um ± 25 %. Zur Steuerung von z. B. Airbags in Kfz ist aber eine sehr viel engere Toleranz dringend nötig. Das ist vor allem dann wichtig, wenn die Sensoreinheiten zusammen mit ebenfalls in Massenfertigung hergestellten Elektronikeinhei¬ ten ohne zusätzliche weitere Justierungen kombiniert werden

sollen, wobei diese Elektronikeinheiten z.B. das Sensorsignal verarbeiten und/oder unmittelbar zur präzisen Steuerung der Auslösung der Insassenschutzeinrichtungen eines ganz speziel¬ len Fahrzeugtypes mit seinerseits jeweils ganz speziellen Konstruktionsmerkmalen dienen.

Aus der DE 38 44 351 AI ist es bekannt, Sensoren für Be¬ schleunigungen, ohne eine vorherige Klassifizierung nach Emp¬ findlichkeitsklassen vorzunehmen, lediglich mittels eines Feinabgleichs abzugleichen. Jedoch erfolgt auch dieser Fein- abgleich zusätzlich separat nach der Herstellung des Sensors.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Toleranz bei der Empfindlichkeit schon während der automatisierten Massen- fertigung der Sensoreinheiten durch entsprechendes Kalibrie¬ ren erheblich einzuengen, so daß alle hergestellten Sensor¬ einheiten schließlich angenähert dieselbe enge Steilheit be¬ sitzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für das obengenannte Ver¬ fahren durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Die Erfindung vermeidet den oben geschilderten Aufwand zur Einengung der Toleranzen. Die Erfindung eignet sich daher vor allem die aufwandsarme Massenfertigung von kalibrierten Sen¬ soreinheiten.

Die Erfindung ist prinzipiell auf alle Beschleunigungssenso¬ ren anwendbar und eignet sich besonders bei Sensoreinheiten mit digitalem Ausgangssignal.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zusammenfassend bestehen die Vorteile der vorliegenden Erfin¬ dung darin,

jeweils auf besonders einfache und für Großserienfertigungen geeignete Weise die Elektronikeinheit justieren zu können, auf besonders einfache, für Großserienfertigung geeignete Weise die zur Messung nötigen Spannungen zuführen zu können, auf besonders einfache, für Großserienfertigung geeignete

Weise die Sensoreinheiten an ihren Meßplätzen vorbeileiten zu können, eine besonders hohe Justiergenauigkeit mit wenig Aufwand er¬ reichen zu können, in für Großserienfertigung besonders geeigneter Weise zu¬ nächst nur die Verbindungen des Beschleunigungssensors mit der Elektronikeinheit, aber noch nicht die Verbindungen mit den Außenanschlüssen der Sensoreinheit herzustellen, so daß sich während der ersten Messung die betreffende Sensoreinheit und die übrigen - insbesondere auf dem Band befestigten - Sensoreinheiten nicht gegenseitig störend beeinflussen und/oder daß sich andernfalls Kurzschlüsse zwischen diesen Anschlüssen ergeben würden, in für eine Großserienfertigung besonders geeigneter Weise die zu justierenden Sensoreinheiten auf dem Band anzubringen, zu justieren und anschließend voneinander trennen zu können, in für eine Großserienfertigung besonders geeigneter Weise die justierten Sensoreinheiten gegen Umwelteinflüsse zu schützen, einen besonders raumsparenden Aufbau der Sensoreinheit zu bieten, und eine besonders toleranzarme Sensoreinheit zu ermöglichen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig 1 eine Sensoreinheit in der Draufsicht,

Fig 2 dieselbe Sensoreinheit in einer Seitenansicht,

Fig 3 ein Schema für eine Fertigungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem S-förmig bewegtem Band, und

Fig 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der erreichbaren Justiergenauigkeit, abhängig von der Stellung der Sensoreinheit bei den zwei Meßplätzen.

In der Figur 3 ist ein Beispiel für eine Fertigungsanlage ge¬ zeigt, auf welcher die Ausgangssignale eines Beschleunigungs¬ sensors im Rahmen einer Großserienfertigung von Sensoreinhei- ten vollautomatisch erfindungsgemäß kalibriert werden. Dieses Beispiel weist fünf, jeweils mit einem eigenen Roboter be¬ stückte Arbeitsplätze Bl, Ml, M2, B2, V auf, wobei diese Ar¬ beitsplätze räumlich teils nebeneinander, teils übereinander angeordnet sind, vgl. die in der Figur 3 gezeigte Richtung g der Erdanziehung/Gravitation.

Alle gezeigten Gehäuseteile G enthalten jeweils eine Sensor¬ einheit S, E/T, vgl. das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Bei¬ spiel einer Sensoreinheit, wobei alle Gehäuseteile G in Reihe hintereinander auf einem Band L befestigt sind. Diese Sensor¬ einheiten enthalten jeweils einen Beschleunigungssensor S, welcher AusgangsSignale b, vgl. die Figur 1, entsprechend der aktuellen Beschleunigung/Verzögerung dieses Beschleunigungs- sensors liefert. Die Sensoreinheiten enthalten ferner jeweils eine Elektronikeinheit E/T, die zur Auswertung der Ausgangs- signale b sowie zur Lieferung von Beschleunigungssignalen, vgl. den Ausgangsanschluß C der Elektronikeinheit E, dienen. Die gezeigten Sensoreinheiten S enthalten ihrerseits jeweils eine seismische Masse, welche in der Figur 2 symbolisch als eine Kugel K, die an einem federnden Hebelarm befestigt ist, dargestellt ist. - In der Regel wird aber die seismische

Masse K eine andere Form und eine andere Befestigung am Be¬ schleunigungssensor S besitzen.

Das Band L läuft S-förmig von rechts unten nach links oben an den fünf Arbeitsplätzen vorbei.

Die Richtung g der Gravitation hat bei der Erfindung hohe Be¬ deutung, weil sie zum Kalibrieren der Sensoreinheiten S, E/T benutzt wird, indem die Ausgangssignale b der Beschleuni- gungssensoren S, vgl. die Figur 1, in zwei gegeneinander ge¬ kippten Stellungen des Beschleunigungssensors S, vgl. die Stellungen an den beiden, in der Figur 3 gezeigten Meßplätzen Ml und M2, gemessen und diese Meßergebnisse anschließend mit¬ einander verglichen werden.

Am ersten Arbeitsplatz Bl werden im in der Figur 3 gezeigten Beispiel bestimmte Bonddrähte B in den einzelnen Sensorein¬ heiten S, E/T angebracht, vgl. die Bonddrähte B in der Figur 1 zwischen elektrischen Anschlüssen P des Beschleunigungssen- sors S und elektrischen Anschlüssen P der auf dem Halbleiter¬ chip T in integrierter Weise angebrachten Elektronikeinheit E.

Am nächsten Arbeitsplatz Ml finden die ersten Messungen an den Sensoreinheiten S, E/T statt, während die betreffende

Sensoreinheit durch die Fertigungsanlage in einer ersten ho¬ rizontalen Stellung gehalten wird, bei der die Gravitation g die seismische Masse K nach unten zieht. Dabei wird über Kon¬ taktfinger eines Meßroboters den in der Figur 1 gezeigten An- Schlüssen M Betriebsspannungen zugeleitet, wobei über solche Anschlüsse M mittelbar oder unmittelbar die durch die Gravi¬ tation +lg ausgelösten Ausgangssignale b des betreffenden Be¬ schleunigungssensors S gemessen werden, vgl. die Figur 2. Die so gemessenen ersten Meßwerte werden in einem - in den Figu- ren nicht gezeigten - Speicher einer elektronischen Meßschal-

tung, die den beiden Meßrobotern Ml, M2 gemeinsam ist, zwi¬ schengespeichert.

Danach durchläuft das Band L einen Bogen nach oben, wodurch dieselbe Sensoreinheit S, E/T schließlich um 180° gekippt am zweiten Meßplatz M2 vorbeiläuft. Die Fertigungsanlage hält also die Sensoreinheit S, E/T während der zweiten Messung M2 des Ausgangssignales b in einer zweiten Stellung, die gegen¬ über der ersten Stellung so gekippt ist, daß die Gravitation g die seismische Masse K in die entgegengesetzte Richtung zieht, die sich von der am ersten Meßplatz Ml gegebenen Gra¬ vitationsrichtung deutlich unterscheidet. Im gezeigten Bei¬ spiel wirkte am ersten Meßplatz Ml die Kraft +lg, und am zweiten Meßplatz -lg auf die seismische Masse K, so daß die Differenz der Ausgangssignale b der Kraft 2g an der seismi¬ schen Masse K entspricht, also hier der doppelten Erdbe¬ schleunigung g. Zur Durchführung der zweiten Messung wird über Kontaktfinger eines weiteren, dem zweiten Meßplatz M2 zugeordneten Meßroboters wieder den in der Figur 1 gezeigten Anschlüssen M Betriebsspannungen zugeleitet sowie über solche Anschlüsse M mittelbar oder unmittelbar die durch die Gravi¬ tation -lg ausgelösten AusgangsSignale b des betreffenden Be¬ schleunigungssensors S gemessen.

Danach vergleicht die mit dem am Meßplatz M2 verbundene Me߬ schaltung die bei der ersten und der zweiten Messung Ml, M2 an diesem Beschleunigungssensor S gemessenen Ausgangssignale b. Das Ergebnis dieses Vergleiches oder ein daraus abgelei¬ teter Wert stellt einen Kalibrierwert dar, der den Einfluß der Gravitation g auf das Ausgangssignal b beschreibt.

Schließlich wird erfindungsgemäß die Elektronikeinheit E/T - und/oder der Beschleunigungssensor S - entsprechend diesem Kalibrierwert durch Anlegen von elektrischen Impulsen - z.B. über die zum Kalibrieren bestimmten elektrischen Anschlüsse A - so justiert, daß die Elektronikeinheit E/T später die Aus-

gangssignale b in kalibrierte Beschleunigungssignale umwan¬ deln kann - die kalibrierten Beschleunigungssignale treten dann am Anschluß C auf.

Zur Justierung der Elektronikeinheit E und/oder des Beschleu¬ nigungssensors S entsprechend dem Kalibrierwert gibt es meh¬ rere Möglichkeiten.

Besonders günstig erwies sich, dazu in oder an der Elektro- nikeinheit E/T mindestens einen Spannungsteiler anzubringen, wobei der Spannungsteiler entsprechend dem Ergebnis des Ver¬ gleiches nachträglich so justiert wird, daß damit die Elek¬ tronikeinheit E/T später die Ausgangssignale b in kalibrierte Beschleunigungssignale C umwandeln kann. Dazu gibt es vor al- lern zwei günstige Varianten:

Man kann die einzelnen Abschnitte des Spannungsteilers zu¬ nächst mittels Zenerdioden Z überbrücken, die zur Justierung des Spannungsteiles entsprechend dem Kalibrierwert durch den Spannungsimpuls/durch Spannungsimpulse in Kurzschlüsse umge¬ wandelt werden können. So kann man mittels der dem Kalibrier¬ wert angepaßten Spannungsimpulse nachträglich einzelne Ab¬ schnitte des Spannungsteilers gezielt überbrücken, wobei dann der so justierte Spannungsteiler die Amplitude der am An- Schluß C abgegebenen Beschleunigungssignale beeinflußt, also diese Beschleunigungssignale kalibriert.

Man kann jedoch auch die einzelnen Abschnitte des Spannungs¬ teilers durch niederohmige Halbleiterstrecken überbrücken, wobei zur Justierung des Spannungsteiles entsprechend dem Ka¬ librierwert einzelne dieser Überbrückungen durch einen oder mehrere Spannungsimpulse unterbrochen werden können. Auch dann gestattet der so mit den Spannungsimpulsen justierte Spannungsteiler die Beschleunigungssignale zu kalibrieren.

Der Spannungsteiler kann jedoch auch aus einer Serienschal¬ tung von MOS-FET-Kanälen bestehen, wobei die Steuerspannung an diesen FETs mittels der zugeführten Spannungεimpulse ju¬ stiert werden können, - ebenfalls z.B. durch Unterbrechen von Halbleiterstrecken oder durch Umwandeln von Zenerdioden in Kurzschlüsse.

Bei dem Justieren der Empfindlichkeit können im gleichen Pro¬ zeßschritt, also z.B. am Meßplatz M2, auch andere Größen die- ser Sensoreinheiten - je nach ihren zusätzlichen Eigenschaf¬ ten - wie Seiftest, Offset, Nichtlinearität oder Taktfrequenz bei digitalem Ausgangssignal ebenfalls justiert werden.

Jeder erfindungsgemäß zur Justierung benutzte Spannungsimpuls kann z.B. durch einen Automaten der Fertigungsanlage einem oder mehreren Anschlüssen der Elektronikeinheit E/T zugelei¬ tet oder indirekt mittels des Automaten innerhalb der Elek¬ tronikeinheit E/T erzeugt werden. Auch das benötigt nur einen sehr kleinen Aufwand, was für die Großserienfertigung beson- ders günstig ist.

Man kann auf besonders einfache, für Großserienfertigung ge¬ eignete Weise die zur Messung nötigen Spannungen zuführen, wenn man für die Messungen Ml, M2 die Betriebsspannungen - und die dann evtl. zusätzlich nötigen Steuerspannungen - über einen mit mindestens einem einzigen Kontaktfinger ausgestat¬ teten Roboterarm der Elektronikeinheit E/T zuführt, um die Elektronikeinheit E/T entsprechend betriebsfähig zu machen.

Bei dem erfindungsgemäßen verfahren kann eine besonders hohe Justiergenauigkeit mit sehr wenig Aufwand erreicht werden, wenn, wie anhand der Figur 3 beispielhaft gezeigt wurde, die Sensoreinheit zwischen der ersten Messung Ml und der zweiten Messung M2 um angenähert 180° gekippt wird, wobei die Sensor- einheit in ihren beiden Stellungen während der Messungen Ml, M2 jeweils so gehalten wird, daß sich die seismische Masse

des Beschleunigungssensors unter dem Einfluß der Gravitation möglichst stark bewegt. Dann ist die Differenz der gemessenen Ausgangssignale maximal groß: sie entspricht nämlich dem Ein¬ fluß der doppelten Erdbeschleunigung 2g auf die seismische Masse. Überdies ist dann die Meßgenauigkeit der Sensoreinheit besonders groß:

Die Figur 4 veranschaulicht den Einfluß der Änderung des Kippwinkels w des Beschleunigungssensors S auf das Ausgangs- signal b dieses Beschleunigungssensors S. Betrachtet sei dazu auch die Figur 3. Wenn der Beschleunigungssensor S am ersten Meßplatz Ml oder, um 180° gekippt, am zweiten Meßplatz M2 ist, dann wird seine seismische Masse K maximal in die eine und in die andere entgegengesetzte Richtung ausgelenkt und das Ausgangssignal b ist an beiden Meßplätzen besonders groß, - wobei an diesen beiden Meßplätzen, wie die Figur 4 zeigt, eine versehentlich geringe Änderung des Kippwinkels w jeweils nur noch sehr wenig Einfluß auf die Höhe des Ausgangssignales b hat.

Wenn aber der Beschleunigungssensor S nur um 90° gegenüber der Stellung am ersten Meßplatz gekippt wird, vgl. die Stelle MO am Band L in der Figur 3, dann wird dort seine seismische Masse K überhaupt nicht von der Gravitation g in die eine und in die andere entgegengesetzte Richtung ausgelenkt. Dann be¬ trägt das Ausgangssignal b Null, vgl. MO in der Figur 4, wo¬ bei dort jede geringe Änderung des Kippwinkels w jeweils nur besonders viel Einfluß auf die Höhe des Ausgangssignales b hat. Es ist also auch hinsichtlich der Meßgenauigkeit des Be- schleunigungssensors S günstig, die erste und die zweite Mes¬ sung bei den Kippwinkeln durchzuführen, die den in der Figur 3 gezeigten Stellungen des Beschleunigungssensors S in den Meßplätzen Ml und M2 entspricht.

Die optimale räumliche Anordnung der Meßplätze Ml, M2 hängt daher ab von der Schwingrichtung der seismischen Masse K, be-

zogen auf die Oberfläche des Bandes L. Das in der Figur 3 ge¬ zeigte Beispiel betrifft vor allem Beschleunigungssensoren S, bei denen die seismische Masse K entsprechend der Figur 3 senkrecht zum Boden des Gehäuseteils G und damit senkrecht zum Band L schwingen kann. Dann ist es optimal, wenn die Mes¬ sungen Ml, M2 an Stellen durchgeführt wird, an denen das Band L wie in der Figur 3 horizontal läuft.

Falls hingegen die seismische Masse K innerhalb der Sensor- einheit S, E/T nur schräg oder senkrecht zu jener Bandober¬ fläche schwingen kannn, auf der die Sensoreinheit S, E/T be¬ festigt ist, dann ist es viel besser, die Meßplätze Ml, M2 räumlich so anzuordnen, daß an ihnen das Band L nicht hori¬ zontal, sondern schräg oder senkrecht verbeiläuft - am gün- stigsten ist es, wenn an beiden Meßplätzen Ml, M2 die seismi¬ sche Masse in Richtung zum Erdmittelpunkt schwingen kann. Günstig ist also, wenn die seismische Masse K am zweiten Me߬ platz M2 durch die Gravitation g in eine Richtung gezogen wird, die entgegengesetzt zu der Richtung am ersten Meßplatz Ml ist.

Für die Großserienfertigung ist es besonders günstig, wenn die für die Messungen Ml und M2 nötigen elektrischen Verbin¬ dungen zwischen den Anschlüssen P der Elektronikeinheit E/T und des Beschleunigungssensors S hergestellt werden, z.B. durch Bonden, bevor die erste Messung Ml durchgeführt wird. Dadurch, daß zunächst nur diese Verbindungen aber noch nicht die sonstigen - oder noch nicht alle sonstigen - (in der Fi¬ gur nicht gezeigten) Verbindungen mit den sonstigen Außenan- Schlüssen der Sensoreinheit hergestellt werden, können sich während der ersten Messung Ml die betreffende, gerade gemes¬ sene Sensoreinheit und die übrigen - insbesondere auf dem Band L befestigten - Sensoreinheiten nicht gegenseitig stö¬ ren. Auch werden dann ungewollte Kurzschlüsse zwischen An- Schlüssen der Sensoreinheit S, E/T während den Messungen Ml, M2 vermieden, z.B. falls die Sensoreinheiten S, E/T auf einem

sog. Leadframe befestigt sind, wenn also die einzelnen Sen¬ soreinheiten S, E/T auf einer - auf dem Band L mitbefestigten - gitterartigen bandförmigen leitenden Metallschicht hinter¬ einander wie die Bilder auf der Filmstreifen optische Pro ek- tionen/Kinos angebracht sind.

Für die Großserienfertigung ist es besonders günstig, die Sensoreinheiten auf einem Leadframe anzubringen und mittels des Leadframe die Sensoreinheiten auf dem Band L zu befesti- gen, wobei nach der zweiten Messung M2, vgl. den Arbeitsplatz B2 hinter dem zweiten Meßplatz M2, auch die elektrischen An¬ schlüsse einerseits des Beschleunigungssensors S und/oder der Elektronikeinheit E/T und andererseits Teilen des Leadframe endgültig miteinander verbunden - z.B. verbondet - werden. Dann kann man nämlich auch besonders leicht die Sensoreinhei¬ ten mittels der Spannungεimpulse kalibrieren/justieren und anschließend voneinander trennen. Dabei kann der Arbeitsplatz B2, vgl. die Figur 3, z.B. auch auf der obersten horizontalen Strecke des Bandes L angebracht werden, was z.B. ermöglicht, die Sensoreinheiten dann mit äußeren Anschlüssen zu verbon- den, wenn die Gehäuseteile G in nach oben offener Weise die Sensoreinheiten tragen, statt wie an der in der Figur 3 ge¬ zeigten Stelle B2, wo diese Gehäuseteile G die Sensoreinhei¬ ten in nach unten offener Weise tragen.

Um in für eine Großserienfertigung besonders geeigneter Weise die justierten Sensoreinheiten endgültig gegen Umwelteinflüs¬ se schützen zu können, kann nach der zweiten Messung M2 - und nach dem endgültigen Herstellen aller im Gehäuseinneren nöti- gen elektrischen Verbindungen bei B2 - die Sensoreinheit, vgl. den Arbeitsplatz V, luftdicht verschlossen/abgekapselt werden, bevor diese Sensoreinheit endgültig vom Band L ge¬ trennt wird.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sen¬ soreinheiten gestatten also, gleichmäßig für alle Sensorein-

heiten, unabhängig von der ursprünglichen schlechten Toleranz ihrer Empfindlichkeit, vor allem die enge Toleranz der Sen¬ soreinheiten zu erreichen. Dies wird vor allem erreicht, in¬ dem das Ausgangssignal des Beschleunigungssensorε bei zwei verschiedenen Lagen des Sensors bezüglich des Erdgravitati¬ onsfeldes gemessen wird, und indem die Sensoreinheit mittels Spannungsimpulsen nachträglich justiert wird.

Um einen besonders raumsparenden Aufbau der Sensoreinheit zu erreichen, kann der Beschleunigungssensor S zusammen mit der Elektronikeinheit E/T einen monolithischen Körper bilden.

Um eine besonders toleranzarme Sensoreinheit zu ermöglichen, kann ihre Elektronikeinheit E/T zusätzlich eine Regeleinheit enthalten oder mit einer Regeleinheit verbunden sein, welche zumindest eine der Betriebsspannungen zwischen Schaltungs- punkten der Elektronikeinheit E/T auf einen vorgebbaren Wert stabilisiert.