DE10124546C1

DE10124546C1 - Temperatursensor

Info

Publication number: DE10124546C1
Application number: DE2001124546
Authority: DE
Inventors: Isolde Simon; Michael Arndt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-05-19
Filing date: 2001-05-19
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2021-05-20
Also published as: EP1397654A1; WO2002095344A1

Abstract

Es wird ein Temperatursensor vorgeschlagen, bei dem mehrere Widerstände, die zur Temperatursensierung verwendet werden, mit unterschiedlichen Zeitkonstanten in einer Schaltung miteinander verdrahtet sind. Es wird dabei vorzugsweise eine Wheatstone-Brücke verwendet, bei der aufgrund der unterschiedlichen Zeitkonstanten bei einem schnellen Temperaturanstieg es zu einer Verstimmung der Brücke kommt und somit ein schneller Temperaturanstieg insbesondere zur Seitenaufprallsensierung leicht aus den Meßsignalen herausgefiltert werden kann.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Temperatursensor nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs.

Es ist bereits aus der DE 100 57 258 C1 bekannt, einen Temperatursensor zur Seitenaufprallsensierung zu verwenden. Dabei wird der Temperatursensor in einem Seitenteil angeordnet, das als Hohlkörper ausgebildet ist und das bei einem Seitenaufprall eingedrückt wird, so daß ein kurzzeitiger adiabatischer Temperaturanstieg in dem Hohlkörper auftritt. Dieser adiabatische Temperaturanstieg wird mit dem Temperatursensor gemessen und somit zur Seitenaufpralldetektion verwendet. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Temperatursensor zu schaffen, der mit wenig Aufwand einen adiabatischen Temperaturanstieg von langsamen Temperaturanstiegen trennt.

Aus JP 3-26929 (A) in: Patent Abstracts of Japan, Sect. P, Vol. 15 (1991), No. 156 (P-1192) ist ein Temperatursensor mit aus resistivem Material gebildeten temperaturempfindlichen Elementen bekannt, wobei diese Elemente wenigstens zwei unterschiedliche thermische Zeitkonstanten aufweisen. Aus JP 3-28730 A in: Patent Abstracts of Japan, Sect. P. Vol. 15 (1991), No. 158 (P-1193) ist ein Temperatursensor mit temperaturempfindlichen Elementen bekannt, die eine unterschiedliche Temperaturcharakteristik im Vergleich zu einer Wärmesenke aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst empfindliche Schaltung für temperaturempfindliche Widerstände mit unterschiedlichen Zeitkonstanten zu schaffen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Temperatursensor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß mehrere Widerstände in dem Temperatursensor als eine Schaltung ausgebildet sind, um mittels ihrer Hochpaßfilterung durchzuführen und somit einen schnellen Temperaturanstieg, wie er bei einem Seitenaufprall auftritt, von einem langsamen Temperaturanstieg, wie er durch eine Erwärmung auftritt, zu trennen. Dies spart eine aufwendige Auswerteeleketronik. Das Signal der Schaltung reagiert dann nämlich letztlich nur auf schnelle Temperaturänderungen, die von einem Seitenaufprall herrühren.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Schaltung der Widerstände als Wheatstone-Brücke ausgebildet ist, so daß das Differenzsignal der Brücke als Indikator für einen schnellen Temperaturanstieg verwendet wird, denn nur wenn es zu einem schnellen Temperaturanstieg kommt, wird die Wheatstone-Brücke in ein Ungleichgewicht gebracht, da sich die Widerstände aufgrund der Temperatur kurzzeitig ändern und somit die Brücke kurzzeitig verstimmt wird. Nach einer gewissen Zeit nehmen dann alle Widerstände, bei einer Wheatstone-Brücke üblicherweise vier, die erhöhte Temperatur an, wodurch die Brücke sich dann wieder ins Gleichgewicht versetzt. Die Differenzspannung wird dann wieder auf null Volt zurückgehen. Damit ist es möglich, eine zeitliche Filterung des Signals nur aufgrund der thermischen Eigenschaften der Brückenwiderstände zu erreichen. Dies stellt eine besonders einfache Filterung des Temperatursignals dar.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch angegebenen Temperatursensors möglich.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß ein Widerstand der Brücke auf einer Membran, vorzugsweise einer dielektrischen Membran angeordnet ist, dessen thermische Zeitkonstante durch die Größe der Membran, also ihre Fläche und Dicke, und die Größe des Widerstands eingestellt werden kann. Ein weiterer Größe der Membran, also ihre Fläche und Dicke, und die Größe des Widerstands eingestellt werden kann. Ein weiterer Parameter, um die thermische Zeitkonstante einzustellen, ist durch eine Dicke einer Passivierungsschicht auf dem Widerstand, also beispielsweise einer Silizium-Dioxid- Deckschicht, gegeben. Das resistive Widerstandsmaterial ist hier üblicherweise Platin. Der gegenüberliegende Widerstand zu dem Widerstand auf der Membran in der Wheatstone-Brücke kann dabei vorteilhafterweise auch dem Substrat, also üblicherweise dem Halbleiter, hier Silizium, angeordnet werden. Durch die größere Dicke des Substrats gegenüber der Membran wird eine höhere thermische Zeitkonstante für diesen zweiten Widerstand erreicht. Daher kann durch die Dicke der Membran und des Substrats das Verhältnis der thermischen Zeitkonstanten geändert werden. Auch auf diesem zweiten Widerstand kann eine Deckschicht oder eine Passivierungsschicht aufgebracht werden. Die beiden weiteren Widerstände der Brücke können als externe Widerstände realisiert werden, also als handelsübliche Kohleschicht- oder Metallschichtwiderstände. Anstatt den zweiten Widerstand auf dem Substrat anzuordnen, ist es auch möglich, ihn als Dickschicht-Platinwiderstand auf einem gesonderten Keramiksubstrat oder als Platindrahtwiderstand auszuführen. Wichtig dabei ist, daß der Temperaturkoeffizient von diesem zweiten Widerstand gleich dem ersten Widerstand auf der Membran ist.

Es ist weiterhin von Vorteil, daß durch eine Kombination der erfindungsgemäßen Schaltung des Temperatursensors mit einem Filter eine höhere Filtersteilheit erreicht wird.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Temperatur-Zeit-Diagramm für Widerstände mit unterschiedlichen thermischen Zeitkonstanten,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 3 die zeitliche Änderung der Differenzspannung der Wheatstone-Brücke bei einem schnellen Temperaturanstieg,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Temperatursensors gemäß der Erfindung und

Fig. 5 eine schematische Querschnittdarstellung eines Widerstands mit Deckschicht.

Beschreibung

Die Seitenaufprallsensierung wird zunehmend in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um einen Seitenairbag bei einem Seitenaufprall zum Schutz der Fahrzeuginsassen entsprechend anzusteuern. Verschiedene Sensierungskonzepte werden dabei entwickelt, wobei eines davon die Auswertung des adiabatischen Temperaturanstiegs in einem als Hohlkörper ausgebildeten Seitenteil eines Fahrzeugs ist. Dabei muß ein schneller Temperatursensor eingesetzt werden, um diesen schnellen Temperaturanstieg auch erkennen zu können. Weiterhin ist es notwendig zwischen sehr langsamen Temperaturanstiegen und diesen schnellen Temperaturanstiegen, die einen Seitenaufprall vermuten lassen, zu unterscheiden. Um die Erkennung eines Seitenaufpralls zu verifizieren, wird üblicherweise ein Plausibilisierungssensor und dabei insbesondere ein Beschleunigungssensor eingesetzt.

Es wird nun zur Unterscheidung zwischen schnellen und langsamen Temperaturanstiegen eine Schaltung verwendet, bei der einzelne Widerstände, die aus einem temperatursensitiven Widerstandsmaterial bestehen, mit unterschiedlichen thermischen Zeitkonstanten eingesetzt werden. Dies führt dann bei einem schnellen Temperaturanstieg zu einer kurzfristigen Verstimmung einer Brücke, die hier als Schaltung eingesetzt wird und läßt damit einen solchen Seitenaufprall erkennen. Die unterschiedlichen thermischen Zeitkonstanten führen dazu, dass sich die Widerstände bezüglich ihres Widerstandswerts unterschiedlich schnell verändern.

Temperatursensoren werden üblicherweise mit Mitteln der Mikromechanik hergestellt. Als Widerstandsmaterial wird dabei üblicherweise Platin eingesetzt. Die Strukturen sind dann meist Mäanderstrukturen, wobei sich sowohl die Anordnung auf einer Membran als auch auf dem eigentlichen Halbleitersubstrat, das die Membran umgibt, anbietet. Darüber hinaus können externe Widerstände, das sind Draht-, Kohleschicht-, Metallschicht- oder Dickschichtwiderstände eingesetzt werden.

Die Temperatur T_R eines elektrischen Widerstands der bei einer Umgebungstemperatur T_U einem Temperatursprung der Höhe ΔT ausgesetzt wird, kann durch folgende Gleichung 1 dargestellt werden.

Hierbei bezeichnet τ die thermische Zeitkonstante des Widerstands. Sie berechnet sich aus der folgenden Gleichung 2 aus der spezifischen Wärmekapazität C_R des Widerstandsmaterials, der Masse m_R des Widerstands und dem Wärmewiderstand R_th der Wärmeableitung vom Widerstand:

τ = R_thc_Rm_R (2)

Beim Aufbringen eines Platinwiderstandes auf der dielektrischen Membran eines mikrostrukturierten Siliziumchips lassen sich bei jeder Membrangröße thermische Zeitkonstanten zwischen 3 ms und 30 ms erreichen. Wird ein Platinwiderstand nicht auf der dielektrischen Membran, sondern auf dem, die Membran umgebenden Silizium, also auf dem Substrat aufgebracht, so hat dieser erheblich größere Zeitkonstanten bis zu mehreren Sekunden. Wird ein Platinwiderstand in Dickschicht oder Drahtbauform verwendet, so können sogar Zeitkonstanten bis zu einigen Minuten erreicht werden.

Fig. 1 zeigt als ein Temperatur-Zeit-Diagramm den Temperaturanstieg für drei solche Widerstände mit jeweils unterschiedlichen Zeitkonstanten. Der Widerstand dessen Kennlinie durch die Quadrate gekennzeichnet ist, zeigt einen sehr schnellen Temperaturanstieg und geht dann in die Sättigung. Der Widerstand, dessen Kennlinie durch die Kreuze gekennzeichnet ist, zeigt eine Kennlinie mit nur noch der halben Steigung, die länger braucht, um einen Sättigungswert zu erreichen. Die Kennlinie, die durch die Kreise gekennzeichnet ist, zeigt einen Widerstand, dessen Temperaturanstieg mehr oder weniger linear verläuft und der während der dargestellten Zeit von 100 ms nicht in eine Sättigung geht.

Platinwiderstände besitzen von der Temperatur abhängige Werte. Daher ändert sich aufgrund von Gleichung 1 und 2 auch der Widerstandswert eines solchen Widerstands bei einer Temperatursprung mit der Zeit. Dies geht aus den folgenden Gleichungen 3 und 4 hervor, wobei R₀ den Widerstandswert bei 0°C und α den Temperaturkoeffizienten des Widerstandsmaterials bezeichnet:

R(t) = R₀(1 + αT(t)) (3)

Werden die beschriebenen Widerstände, wie in Fig. 2 dargestellt, in einer Wheatstone-Brücke verschaltet, so ergibt sich für die Brückendifferenzspannung folgender Wert:

Bei langsamen Änderungen der Umgebungstemperatur bleiben alle Widerstände vor allem aber R2 und R4 auf der gleichen Temperatur. Ist die Brücke nach der folgenden Gleichung abgeglichen, so bleibt die Differenzspannung auf 0 V.

Bei schnellen Temperaturänderungen z. B. die durch einen Druckanstieg aufgrund eines Aufpralls folgt R4 der Temperaturänderung langsamer als R2, wodurch sich die Brücke kurzfristig verstimmt. R1 und R2 bleiben konstant, da ihre thermischen Zeitkonstanten wesentlich höher als die von R2 und R4 sind. Durch die Verstimmung ändert sich die Differenzspannung mit dem Temperaturanstieg. Dies wird in Fig. 3 als ein Spannungs-Zeit-Diagramm dargestellt. Bereits nach ca. 10 ms ist der Maximalwert des Temperaturanstiegs durch die Differenzspannung erkennbar. Nach einer gewissen Zeit nehmen alle Widerstände wieder die neue erhöhte Temperatur an, wodurch sich die Brücke wieder ins Gleichgewicht setzt. Die Differenzspannung sinkt dann wieder auf 0 V. Damit ist es möglich, eine Filterung des Signals nur aufgrund der thermischen Eigenschaften der Brückwiderstände zu erreichen.

Fig. 2 zeigt also als Blockschaltbild eine Schaltung gemäß der Erfindung. In einer Wheatstone-Brücke sind in einem Zweig die Widerstände R1 und R2 geschaltet und in einem Parallelzweig dazu die Widerstände R3 und R4. Die Widerstände sind jeweils durch ihre Temperaturkonstanten τ1, τ2, τ3 und τ4 gekennzeichnet. Dabei ist τ2 die kleinste Temperaturkonstante, τ4 die nächstgrößere und τ1 und τ3 sind mindestens so groß wie τ4, wenn nicht größer. Die Temperaturkoeffizienten α sind so ausgelegt, daß α1 gleich α3 und α2 gleich α4 sind. R2 und R4 sind dabei an Masse geschaltet und R1 und R3 gemeinsam an die Versorgungsspannung UB. Die Differenzspannung, die zwischen den Punkten R1 und R2, sowie R3 und R4 abgegriffen wird, wird von einem Meßverstärker 1 verstärkt, um dann von einem Hochpaß 2 gefiltert zu werden. Am Ausgang 3 liegt dann die Differenzspannung vor. Diese wird dann an ein Steuergerät eines Rückhaltesystems übertragen, um dann im Auslösealgorithmus, den das Steuergerät berechnet, einzugehen. Alternativ ist es möglich, daß der Temperatursensor als Plausibilitätsensor verwendet wird und daß die Plausibilisierung bereits durch einen Prozessor, der dem Temperatursensor direkt zugeordnet ist, durchgeführt wird.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Schaltung des Temperatursensors. Dabei wurden die externen Widerstände R1 und R3 der Einfachheit halber weggelassen. R2 ist hier auf einer Membran 5 als Mäanderstruktur 7 aufgebracht, wobei Elektroden 6 dann zur Verschaltung in die Brücke gemäß Fig. 2 verwendet werden. Die Elektroden 6 liegen auf dem Substrat 4. Auf dem Substrat 4 ist weiterhin der Widerstand R4 angeordnet, auch mit einer Mäanderstruktur 8 und Elektroden 9, die zur Verschaltung in die Wheatstone-Brücke verwendet werden. Im Schnitt, also dem oberen Bild von Fig. 4, ist das Profil dieser Halbleiterstruktur dargestellt. Das Substrat 4 ist sehr viel dicker als die eigentliche Membran 5, wodurch der Widerstand R4 eine höhere thermische Zeitkonstante aufgrund der höheren thermischen Kapazität erhält. Die Membran 5 ist hier als eine dielektrische Membran realisiert, während das Substrat 4 aus Silizium besteht. Die Membran 5 wird dann durch Abscheidung und Ätzprozeß strukturiert. Die Elektroden 6 und 9 können für die bessere Kontaktierung vergoldet werden. Die externen Widerstände R1 und R3 können auch auf dem Substrat 4 angeordnet werden, ähnlich wie R4 oder als externe Widerstände, wie es Kohleschicht- oder Metallschichtwiderstände sind. Alternativ ist es möglich, daß auch auf die Anordnung der Widerstände auf dem Substrat verzichtet wird. Dann kann vorzugsweise der Widerstand R4 als externer Platinwiderstand realisiert werden und dabei entweder als Dickschicht-Platinwiderstand auf einem Keramiksubstrat oder als Platindrahtwiderstand. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, daß der Temperaturkoeffizient von R4 gleich R2 bleibt. Mit einem externen Widerstand R4 lassen sich größere thermische Zeitkonstanten erreichen, als es für einen Widerstand auf einem Substrat möglich ist. Eine weitere Möglichkeit, die thermische Zeitkonstante eines Widerstands zu verändern, ist das Aufbringen einer Passivierungsschicht, also einer Deckschicht auf das Widerstandsmaterial. Fig. 5 zeigt schematisch eine solche Anordnung im Querschnitt. Auch dem Substrat 4 ist der Platinwiderstand 7 angeordnet, auf dem sich eine Deckschicht 10 befindet. Diese Deckschicht 10 ist hier aus Silizium- Dioxid ausgeführt. Es können jedoch auch andere Dielektrika verwendet werden. Auch so eine dielektrische Schicht wirkt als wärmespeichernd und verändert somit die thermische Zeitkonstante des jeweiligen Widerstands.

Claims

1. Temperatursensor, wobei der Temperatursensor ein resistives Material zur Temperatursensierung aufweist, wobei eine Mehrzahl von aus dem resistiven Material gebildeten Widerständen (R1, R2, R3, R4) in dem Temperatursensor angeordnet sind, wobei die Widerstände (R1, R2, R3, R4) wenigstens zwei unterschiedliche thermische Zeitkonstanten (τ1, τ2, τ3, τ4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (R1, R2, R3, R4) eine Wheatstone-Brücke als Schaltung bilden.

2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Widerstände (R1, R2, R3, R4) als ein erster Widerstand (R2) auf einer Membran (5) angeordnet ist, wobei bei dem wenigstens ersten Widerstand (R2) seine thermische Zeitkonstante (τ2) durch die Größe der Membran und/oder die Größe des wenigstens ersten Widerstandes (R2) und/oder eine erste Deckschicht (10) des wenigstens ersten Widerstandes (R2) bestimmbar ist.

3. Temperatursensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Widerstände (R1, R2, R3, R4) als ein zweiter Widerstand (R4) auf einem die Membran (5) umgebenden Substrat (4) angeordnet ist, wobei bei dem wenigstens zweiten Widerstand (R4) seine thermische Zeitkonstante (τ4) durch die Dicke des Substrats (4) und/oder eine zweite Deckschicht (10) für den wenigstens zweiten Widerstand (R4) veränderbar ist.

4. Temperatursensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (4) dicker als die Membran (5) ausgebildet ist.

5. Temperatursensor nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass weitere der Widerstände (R3, R1) auf dem Substrat (4) und/oder als externe Widerstände in der Schaltung vorhanden sind.

6. Temperatursensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Widerstände als Kohleschicht- und/oder Metallschicht- und/oder als Dickschicht- und/oder als Drahtwiderstand ausgebildet sind.

7. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens erste und der wenigstens zweite Widerstand (R2, R4) den gleichen Temperaturkoeffizienten (α2, α4) aufweisen.

8. Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung mit einem elektronischen Filter (2) verbindbar ist.