-
Die
Erfindung betrifft einen Beschleunigungsschalter gemäß Oberbegriff
von Anspruch 1 sowie dessen Verwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere
in Airbagsensorik- und Reifensensoriksystemen.
-
Beschleunigungsschalter
werden beispielsweise zur Erfassung und Identifikation definierter Mindestbeschleunigungen
verwendet. Dabei ist es bekannt, Beschleunigungsschalter auch in
sicherheitskritischen Anwendungen, wie beispielsweise bei der Erkennung
und Warnung vor Erdbeben und bei der Erkennung eines Unfalls in
Kraftfahrzeugen, zu verwenden. Darüber hinaus gibt es vielfältige Einsatzgebiete,
wie beispielsweise zur Erfassung, Identifikation und dem Nachweis
von Grenzbelastungen, welchen Güter
während
eines Transports ausgesetzt sind.
-
Druckschrift
EP 0 924 730 A1 schlägt einen Beschleunigungsschalter
vor, welcher bei einer definierten Mindestbeschleunigung schaltet
und dessen Schaltschwelle elektrisch eingestellt werden kann. Dabei
weist dieser Beschleunigungsschalter einen Träge-Masse-Biegebalken auf, welcher
durch einwirkende Beschleunigungen auslenkbar ist und durch solch
eine Auslenkung einen elektrischen Kontakt schließt oder öffnet. Dieser
Beschleunigungsschalter weist den Nachteil einen fehlenden Kapselung
auf.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen neuen Beschleunigungsschalter
vorzuschlagen, welcher sich insbesondere durch eine einfache Herstellung
und einen unaufwändigen
Betrieb auszeichnet und dabei eine Kapselung aufweist.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Beschleunigungsschalter gemäß Anspruch 1.
-
Der
Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde einen Beschleunigungsschalter
zum Erfassen mindestens einer definierten Beschleunigung so auszubilden,
dass dieser ein Balkenelement und ein Basiselement aufweist, wobei
das Balkenelement biegbar ausgebildet ist und an dem Basiselement
befestigt ist oder diese beiden Elemente aus einem zusammenhängenden
Materialstück
ausgebildet sind, wobei das Balkenelement durch eine definierte
Beschleunigung, welche eine Beschleunigungskomponente senkrecht
zum Balkenelement aufweist, so verbiegt, dass dieses das Basiselement
berührt
und wobei der Beschleunigungsschalter durch einen Deckel, welcher
auf dem Basiselement befestigt ist, gekapselt ist.
-
Diese
Technologie benötigt
keine analoge Signalauswertung und nur zur Identifikation eines
geschlossenen Schalterzustandes eine Betriebsspannung. Durch den
vorgeschlagenen Beschleunigungsschalter ist es möglich, eine definierte Beschleunigung
in einfacher Weise zu erfassen. Durch den Deckel ist der Beschleunigungsschalter
vor seiner Umgebung und den jeweiligen Umwelteinflüssen geschützt. Hierdurch
können
Verschmutzungen und Störungen
vermieden werden und der er findungsgemäße Beschleunigungsschalter
kann auch unter rauhen Umgebungsbedingungen verwendet werden. Darüber hinaus
kann der Deckel funktional mit dem Balkenelement zusammenwirken
und so mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllen.
-
Unter
einem elektrischen Kontaktelement wird ein Element verstanden, dessen
Oberfläche elektrisch
leitend ist und welches elektrisch leitend mit seinem Träger verbunden
ist, wie beispielsweise ein Pin oder ein Kontaktblech.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
sich das Balkenelement durch das Einwirken einer Beschleunigung
im Wesentlichen reversibel verbiegt, wodurch Materialermüdung oder
Materialbruch vermieden werden. Dies wird vorzugsweise durch Verwendung
geeigneten Balkenmaterials und einer geeigneten geometrischen Ausbildung
des Beschleunigungsschalters, insbesondere des Balkenelements, erreicht.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
das Balkenelement in unausgelenktem Zustand im Wesentlichen parallel zum
Basiselement ausgerichtet ist.
-
Es
ist bevorzugt, dass zwischen dem Basiselement und dem an diesem
befestigten Balkenelement mindestens eine erste Isolierschicht ausgebildet
ist, und insbesondere auch weitere Anordnungselemente, welche auf
dem Basiselement angeordnet sind beziehungsweise auf diesem befestigt
sind, über
zusätzliche
Isolierschichten oder diese erste Isolierschicht vom Basiselement
elektrisch isoliert sind.
-
Vorzugsweise
ist das Balkenelement am Kopf, mit dem es das Basiselement berühren kann, mit
einem ersten elektrischen Kontaktelement ausgestattet oder der Kopf
des Balkenelements ist so ausgebildet, dass dieser einen elektrischen
Kontaktbereich aufweist. Die Berührzone
des Basiselements ist als elektrischer Kontaktbereich ausgebildet
oder weist ein zweites elektrisches Kontaktelement auf. Durch Anbringen
jeweils eines Kontaktelementes, insbesondere eines Kontaktpins,
an Balken-/Basiselement kann der Kontakt, bzw. das Herstellen der elektrischen
Leitfähigkeit
im Fall der gegenseitigen Berührung
optimiert werden. Dies betrifft nicht nur das Material, sondern
auch die geometrische Ausbildung der beiden Berührflächen.
-
Alternativ
vorzugsweise kann auch entweder der Kopf des Balkenelements oder
das Basiselement alleine mit einem elektrischen Kontaktelement ausgestattet
sein. Insbesondere kann durch den Kopf des Balkenelements auch ein
Kontakt geschlossen werden (Brücke),
dann muss der Kopf nicht kontaktiert sein.
-
Es
ist bevorzugt, dass der Kopf des Balkenelements einen größeren Querschnitt
aufweist als der Schaft des Balkenelements, wodurch dieser, ein im
Wesentlichen homogenes Material vorausgesetzt, schon bei relativ
geringen Beschleunigungen bis zur Berührung mit dem Basiselement
verbiegt und zusätzlich
das Balkenelement eine vorteilhafte Biegelinie aufweist.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
der Kopf des Balkenelements eine größere Masse aufweist als der Schaft
des Balkenelements.
-
Es
ist bevorzugt, dass das Balkenelement keinen Kopf bzw. keine Massenanhäufung aufweist.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
das Basiselement einen Puffer aufweist, welcher gegenüber dem Schaft
des Balkenelements angeordnet ist und der so ausgebildet ist, dass
der Schaft des Balkenelements bei einer definierten Maximalauslenkung
in Richtung des Basiselements den Puffer des Basiselements berührt. Dies
verhindert Materialschäden
durch übermäßiges Durchbiegen
des Balkenelements.
-
Es
ist bevorzugt, dass die Verbindung zwischen Deckel und Basiselement
durch Bonden oder alternativ vorzugsweise durch Kleben hergestellt wird.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
der Deckel zusammen mit dem Basiselement einen, insbesondere abgedichteten,
Innenraum bildet, in welchem das Balkenelement und gegebenenfalls
weitere Bauteile und Anordnungselemente vorhanden und angeordnet sind.
Besonders bevorzugt ist der so geschlossene Innenraum des Beschleunigungsschalters
mit einem definierten Gas oder Gasgemisch mit definiertem Druck
gefüllt
oder in ihm ist ein Vakuum eingestellt. In Abhängigkeit des Befüllungszustandes
des Innenraums des Beschleunigungsschalters kann das Schwingungsverhalten
des Balkenelements, ganz besonders bevorzugt dessen Dämpfung,
beeinflusst und/oder eingestellt werden.
-
Vorzugsweise
begrenzt der Deckel ein Auslenken des Balken elements in entgegen
gesetzter Richtung zum Basiselement. Insbesondere ist der Abstand,
bezüglich
der Auslenkung des Balkenelements, zwischen Balkenelement und Deckel
geringer als zwischen Balkenelement und Basiselement. Hierdurch
können Überschwingungen
des Balkenelements, welche beispielsweise durch Vibrationen oder äußere Anregungen
mit relativ großer
Amplitude hervorgerufen werden, verhindert und/oder relativ schnell
abgebaut werden.
-
Es
ist bevorzugt, dass zwischen dem Schaft des Balkenelements und dem
Deckel oder dem Kopf des Balkenelements und dem Deckel eine elektrische
Spannung, insbesondere eine elektrostatische Spannung, angelegt
ist. Dies ist auch an mehreren Stellen, zwischen Balkenelement und
Deckel bevorzugt und es ist besonders bevorzugt, an mindestens einer
Stelle zwischen Basiselement und Balkenelement eine elektrische
Spannung anzulegen, ganz besonders bevorzugt eine sich während des
Betriebs dynamisch ändernde
elektrische Spannung. Durch solch eine elektrische Spannung kann
das Balkenelement um einen definierten Betrag ausgelenkt werden
und/oder die Auslenkung des Balkenelements, insbesondere die Dämpfung von
Schwingungen, beeinflusst und/oder geregelt werden.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
an der Berührstelle zwischen
Balkenelement und Deckel ein drittes elektrisches Kontaktelement
am Balkenelement und im Wesentlichen dem gegenüber ein viertes elektrisches
Kontaktelements am Deckel, angebracht ist, insbesondere zusätzlich zu
dem ersten und dem zweiten elektrischen Kontaktelement am Balkenelement
und am Basiselement, wodurch der Beschleunigungsschalter als Umschalter
eingesetzt werden kann. Vorzugsweise werden beide mit jeweils zwei elektrischen
Kontakten versehene Berührstellen, also
die Berührstelle
zwischen Balkenelement und Basiselement und die Berührstelle
zwischen Balkenelement und Deckel, als Schaltkontakte genutzt, um definierte
Beschleunigungen einer Richtung mit unterschiedlicher Orientierung
zu erfassen. Mit anderen Worten können Beschleunigungen mit definiertem Mindestbetrag
und zueinander inverser Orientierung erfasst werden.
-
Es
ist bevorzugt, dass das Balkenelement zumindest bezüglich einer
Richtung in zwei Orientierungen auslenkbar ist. Hierdurch kann sowohl
eine positive als eine negative Vorspannung des Balkenelements erfolgen
und dies ist Vorraussetzung dafür den
Beschleunigungsschalter als Umschalter zu verwenden.
-
Eine
alternativ bevorzugte Ausbildung des Beschleunigungsschalters als
Umschalter sieht vor, dass das Balkenelement ausgehend von seiner
Ruheposition nur mit einer Orientierung entlang einer Richtung auslenkbar
ist, wobei es zwischen der Schaltposition im ausgelenkten Zustand
und der Schaltposition im Ruhezustand durch Einwirkung zumindest
einer Beschleunigung und/oder von zusätzlichen einwirkenden Größen hin
und her geschaltet werden kann.
-
Es
ist bevorzugt, dass zwischen dem Schaft des Balkenelements und dem
Puffer des Basiselements eine elektrische Spannung, insbesondere
eine elektrostatische Spannung zur Erzeugung einer elektrostatischen
Kraft, angelegt ist. Besonders bevorzugt ist zu diesem Zweck auf
dem Puffer des Basiselements und diesem im Wesentlichen gegenüberliegend
auf dem Schaft des Balkenelements jeweils eine Elektrode angeordnet,
wobei diese ganz besonders bevorzugt jeweils an elektrische Potentiale
einer Schaltung und/oder an die Klemmen einer Spannungsquelle angeschlossen
sind, wodurch sich die elektrostatische Kraft zwischen diesen Elektroden einstellen
und/oder regeln lässt.
-
Der
Puffer fungiert zweckmäßigerweiser
als Auslenkungsbegrenzung und/oder begrenzender Anschlag.
-
Alternativ
vorzugsweise kann anstatt oder zusätzlich zum Puffer des Basiselements
das Balkenelement mindestens einen Vorsprung aufweisen, welcher
entsprechend als Puffer bzw. Auslenkungsbegrenzung fungiert.
-
Vorzugsweise
ist zur Realisierung einer Selbsthaltung des Beschleunigungsschalters
im Wesentlichen jeweils bei dem ersten elektrischen Kontaktelement/dem
elektrischen Kontaktbereich, insbesondere im Kopf des Balkenelements,
und dem zweiten elektrischen Kontaktelement/der Berührzone des Basiselements
ein Permanentmagnet angeordnet, wobei diese beiden Permanentmagneten
zueinander derart magnetisiert und angeordnet sind, dass diese sich
gegenseitig anziehen. Besonders bevorzugt ist mindestens einer der
Permanentmagnete Teil eines der Kontaktelemente oder eine der Berührzonen und/oder
mindestens einer der Permanentmagnete umfasst im Wesentlichen eines
der Kontaktelemente oder eine der Berühr zonen. Diese Selbsthaltung kann
durch das Anlegen sich abstoßender
elektrischer Potentiale zwischen Balkenelement und Basiselement,
insbesondere an den Puffer des Basiselements und dem Balkenelement,
und/oder durch das Anlegen sich anziehender elektrischer Potentiale zwischen
Balkenelement und Deckel, besonders bevorzugt jeweils an dafür vorgesehenen
Elektroden, wieder gelöst
werden.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
der Biegebalken und mindestens ein Gegenkontakt jeweils paarweise Dauermagneten
zur Selbsthaltung aufweisen. Dabei sind diese paarweise jeweils
so magnetisiert und angeordnet, dass dieses Paar Dauermagneten sich
gegenseitig anzieht, wodurch mindestens eine Selbsthaltung realisiert
werden kann, insbesondere zwei Selbsthaltungen für zwei unterschiedliche Auslenkungsbewegungen
des Biegebalkens, wobei diese besonderes bevorzugt die gleiche Auslenkungsrichtung
mit zueinander inverser Orientierung besitzen.
-
Es
ist bevorzugt, dass der Beschleunigungsschalter eine mechanische
Sperre zur Selbsthaltung aufweist, wobei diese mechanische Sperre
mit dem Basiselement und/oder dem Deckel fest verbunden ist und
dass das Balkenelement diese mechanische Sperre bei einer definierten
Mindestauslenkung beispielsweise aufgrund einer Beschleunigung selbstständig betätigt. Durch
eine definierte Beschleunigung wird die mechanische Sperre durch
das Balkenelement verbogen und das Balkenelement rastet in einem
definierten Zustand, insbesondere bei einem geschlossenen elektrischen
Kontakt zwischen Balkenelement und Basiselement oder Balkenelement und
Deckel, ein. Durch solch eine Verrastung wird eine Selbsthaltung
erzeugt, welche keine elektrische Energie verbraucht. Besonders
bevorzugt ist dabei die mechanische Sperre so ausgebildet, dass
in einem verrasteten Zustand ständig
eine Kraft auf den Balken ausgeübt
wird, wodurch der elektrische Kontakt ständig geschlossen bleibt. Ganz
besonders bevorzugt ist zwischen der mechanischen Sperre und dem
Deckel eine elektrische Spannung, insbesondere eine elektrostatische
Spannung angelegt. Insbesondere weisen dazu einander gegenüberliegend
die mechanische Sperre und der Deckel jeweils eine Elektrode auf.
Hierdurch kann die Sperre durch Anlegen einer Spannung wieder gelöst beziehungsweise entrastet
werden und/oder die Kraft zur Betätigung der Sperre eingestellt
werden. Ganz besonders bevorzugt ist die mechanische Sperre als
Biegebalken ausgebildet, welcher bezüglich unausgelenkter Zustände im Wesentlichen
senkrecht zu Balkenelement angeordnet ist und einen keilförmig ausgebildeten Vorsprung
gegenüber
dem Kopf des Balkenelements aufweist und dass der Kopf des Balkenelements
einen Vorsprung in Richtung der mechanischen Sperre aufweist. Dabei
kann der Vorsprung des Kopfes des Balkenelements in Form eines Fingers
oder einer Nase ausgebildet sein. Insbesondere kann dieser Vorsprung
des Kopfes des Balkenelements leicht zum Basiselement hin gekrümmt sein.
-
Es
ist zweckmäßig die
mechanische Sperre alternativ als Schließer oder als Öffner auszubilden.
-
Es
ist bevorzugt, durch das Anlegen mindestens einer elektrischen Spannung,
insbesondere an mindestens ein Elektroden paar, eine Einstellung
des Beschleunigungsschalters und/oder eine Regelung des Auslenkverhaltens
des Basiselements und/oder eine Einstellung einer Vorspannkraft
des Basiselementes und/oder eine Einstellung einer Dämpfung des
Basiselements vorzunehmen.
-
Es
ist zweckmäßig, dass
bei Verwendung einer der oben beschriebenen Selbsthaltungen, der Schaltzustand
des Beschleunigungsschalters zu mindestens einem definierten Zeitpunkt,
insbesondere periodisch, ausgelesen wird und besonders bevorzugt
die Selbsthaltung zu mindestens einem definierten Zeitpunkt, ganz
besonders bevorzugt nach dem Auslesen des Schaltzustandes, und/oder
zu periodischen Zeitpunkten aktiv zurückgesetzt beziehungsweise entrastet
wird. Hierdurch braucht die Energieversorgung des Beschleunigungsschalters
nur temporär
eingeschaltet zu werden, um eine Information bezüglich eines Auftretens einer
definierten Mindestbeschleunigung, insbesondere innerhalb eines
definierten Zeitintervalls, zu erhalten.
-
Es
ist bevorzugt, dass der Beschleunigungsschalter zur Selbsthaltung
mindestens ein Mittel aufweist, welches nach dem elektrodynamischen
oder piezoelektrischen Prinzip funktioniert.
-
Vorzugsweise
ist der Deckel so ausgebildet und positioniert, dass dieser insbesondere
ohne das Vorhandensein einer Beschleunigung das Balkenelement berührt und
um einen definierten Betrag auslenkt, wodurch eine mechanische Vorspannung
des Balkenelements erreicht wird.
-
Es
ist bevorzugt, den Beschleunigungsschalter als mikromechanische
Struktur (MEMS), insbesondere in Silizium, auszubilden. Dabei ist
der Deckel besonders bevorzugt aus einem zusätzlichen Wafer ausgebildet.
Dadurch wird eine Platz sparende und kostengünstige Herstellung und Ausbildung
eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsschalters erreicht.
Es ist alternativ zweckmäßig den
Beschleunigungsschalter makroskopisch auszubilden, wodurch solch
ein Beschleunigungsschalter als Einzelstück oder in kleiner Stückzahl mit
relativ einfachen Mitteln kostengünstig hergestellt werden kann.
-
Es
soll auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Beschleunigungsschalters als
mikromechanische Struktur vorgeschlagen werden. Insbesondere werden
bei der Herstellung eines Beschleunigungsschalters mit Deckel zunächst die mikromechanische
Struktur des erfindungsgemäßen Beschleunigungsschalters
und der Deckel nacheinander oder separat, gleichzeitig aus unterschiedlichen
Materialstücken
hergestellt. Danach wird der Deckel, auf das Basiselement des Beschleunigungsschalters
aufgesetzt und an diesem befestigt. Dabei berührt der Deckel während des
Aufsetzens das Balkenelement und lenkt dieses aus, wobei alle für diesen
Vorgang relevanten Komponenten, wie beispielsweise Deckel, Balkenelement,
Basiselement, Puffer des Basiselements, elektrische Kontaktelemente,
entsprechend ausgebildet und angeordnet sind. Durch dieses Herstellungsverfahren
ist es möglich
definierte mechanische Vorspannungen in der mikromechanischen Struktur
des Beschleunigungsschalters zu erzeugen.
-
Die
Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung des erfindungsgemäßen Beschleunigungsschalters
in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Airbagsensorik- und Reifensensoriksystemen.
-
Erfindungsgemäße Beschleunigungsschalter
können
in allen Bereichen eingesetzt werden, wo Beschleunigungen mindestens
eines definierten Betrags erfasst werden sollen. Dabei kann der
erfindungsgemäße Beschleunigungsschalter
in einigen der vorgeschlagenen Ausführungsformen an die jeweiligen
Anforderungen im Betrieb adaptiert werden. Außerdem ist es möglich den
Beschleunigungsschalter einer speziellen Ausführungsform als Relais, insbesondere
elektrostatisches Mikrorelais, zu verwenden. Der vorgeschlagene
Beschleunigungsschalter ist besonders geeignet, um als mikromechanischer Schalter
(MEMS-Technologie)
ausgebildet zu werden und kann damit in relativ einfacher Weise
in integrierte Schaltungen, insbesondere in ASICs, integriert werden.
Erfindungsgemäße Beschleunigungsschalter
sind aufgrund ihrer Verdeckelung besonders geeignet zum Einsatz
und zur Verwendung in Kraftfahrzeugen und zwar insbesondere als
Airbagsensoren oder Reifen-/Radsensoren oder in Airbagsensorik-
und Reifensensoriksystemen. Insbesondere kann mindestens ein erfindungsgemäßer Beschleunigungsschalter
zur Messung der Latschlänge
in mindestens einem Reifensensoriksystem verwendet werden. Erfindungsgemäße Beschleunigungsschalter
können
auch zur Erfassung, Identifikation und dem Nachweis von Grenzbelastungen,
welchen Güter
während
eines Transports ausgesetzt sind, verwendet werden.
-
Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand von
Figuren.
-
Es
zeigen in schematischer Darstellung
-
1 eine
Ausführungsform
eines Beschleunigungsschalters ohne Deckel,
-
2 einen
beispielhaften Beschleunigungsschalter mit Deckel,
-
3 eine
spezielle Ausführungsform
des Beschleunigungsschalters mit Deckel, wobei der Deckel den Beschleunigungsschalter
hermetisch abkapselt und
-
4 eine
beispielhafte Ausbildung des gekapselten Schalters mit einer elektrostatischen
Vorspannung,
-
5 einen
beispielhaften Beschleunigungsschalter mit einer Selbsthaltung,
welche durch jeweils einen Permanentmagneten im Bereich des jeweiligen
elektrischen Kontaktbereiches realisiert ist,
-
6 eine
spezielle Ausführungsform
des Beschleunigungsschalters mit einer Selbsthaltung, welche durch
eine mechanische Sperre umgesetzt ist,
-
7 ein
beispielhafter Beschleunigungsschalter, welcher als Umschalter ausgebildet
ist, mit noch nicht installiertem Deckel,
-
8 eine
beispielhafte Ausführungsform des
Beschleunigungsschalters als Umschalter,
-
9 ein
beispielhafter Beschleunigungsschalter, dessen Balkenelement durch
eine bestimmte Beschleunigung so ausgelenkt worden ist, dass sich
der Beschleunigungsschalter in einem definierten, geschalteten Zustand
befindet.
-
1 zeigt
die Ausführungsform
eines Beschleunigungsschalters ohne Deckel, welcher ein Balkenelement 1 aufweist,
das einen Kopf 3 ausbildet, der mit einem ersten Kontaktelement 4,
als Kontaktpin ausgebildet, versehen ist. Balkenelement 1 ist mit
Basiselement 2, welches im Wesentlichen aus Silizium besteht über eine
elektrisch isolierende Schicht 15 verbunden, bzw. Balkenelement 1 ist
gegenüber
des Kopfes 3 an Basiselement 2 angeschlagen. Basiselement 2 weist
ein zweites Kontaktelement 5 und einen Puffer 6 auf,
der so ausgebildet ist, dass er die Auslenkung des Balkenelements 1 in Richtung
des Basiselements 2 durch Berührung begrenzt. Durch Einwirken
einer Beschleunigung, welche eine Komponente a → aufweist, die im Wesentlichen
senkrecht zu Balkenelement 1 wirkt, wird Balkenelement 1 gebogen
bzw. ausgelenkt und schließt einen
elektrischen Kontakt durch Berührung
des ersten und des zweiten Kontaktelements 4 und 5.
Balkenelement 1 ist beispielgemäß aus dotiertem Silizium gefertigt
und ist in der Nähe
des Anschlags mit einem Bonddraht elektrisch leitend beschaltet.
Die entsprechende Beschaltung des Basiselements 2 erfolgt beispielhaft
ebenfalls über
einen Bonddraht, wel cher mit dem zweiten Kontaktelement verbunden
ist. Diese Beschaltung des Basiskontakts kann alternativ beispielhaft
auch über
einen dotierten Kanal geschehen. Puffer 6 verhindert einen
Bruch oder eine Materialüberlastung
des Balkenelements 1. Dabei sind Balkenelement 1 und
Puffer 6 so ausgelegt, dass nur im Wesentlichen reversible
Auslenkungen möglich sind.
-
2 ergänzt den
Beschleunigungsschalter aus 1 beispielhaft
um einen Deckel 7. Dieser begrenzt die Auslenkung des Balkenelements 1 in
entgegengesetzter Richtung zu Basiselement 2 und ermöglicht auch,
wie in 3 veranschaulicht eine hermetische Kapselung des
Beschleunigungsschalters, bzw. insbesondere des Balkenelements 1.
Durch die Wahl des Abstands zwischen Balkenelement 1 und Deckel 7 kann
ein Überschwingen
des Balkenelements 1 (Kontaktprellen) bei pulsförmiger Krafteinwirkung
(Vibration, Schock) wirksam unterdrückt werden. Dies ist speziell
dann der Fall wenn der Abstand zwischen erstem und zweitem Kontaktelement 4 und 5 größer ist,
als der Abstand zwischen Balkenelement 1 und Deckel 7.
Die Schwingungsenergie des Balkenelements 1 kann so durch
Anschlag an Deckel 7 abgebaut werden. Die Güte des schwingenden Systems
kann ferner über
den Grad des Vakuums in der hermetischen Kapselung eingestellt werden.
Je geringer die Anzahl der Gasmoleküle innerhalb der Kapselung
ist, umso höher
ist die Güte.
Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass mit einem Überdruck im Inneren die Güte des Systems
herabgesetzt werden kann und so ein Schwingen des Balkenelements 1 bedämpft wird.
Die Dämpfung
des Schwingungssystems kann sowohl über die Wahl des Gases, als über den
Druck ein gestellt werden. Deckel 7 ist beispielgemäß als Deckelwaver
ausgebildet und über
Bondrahmen mit Basiselement 2 verbunden, bzw. es erfolgt die
hermetische Kapselung über
bonden.
-
4 zeigt
eine optionale, beispielhafte Ausführung des Beschleunigungsschalters,
wobei zwischen Deckel 7 und Balkenelement 1 eine
elektrostatische Vorspannung erzeugt wird. Dies kann beispielhaft
durch zwei gegenüberliegende
dotierte Si-Flächen
(auch Metallbereiche sind alternativ möglich) realisiert werden. Diese
Flächen
(eine auf Deckel 7, die andere auf Balkenelement 1)
sind im Wesentlichen gegenüberliegend
angeordnet und bilden insbesondere ein Kondensatorelement. An diese
beiden gegenüberliegenden
Flächen
ist beispielhaft eine Spannung angelegt, wobei diese im speziellen auch
während
des Betriebs einstellbar ist. Auf diese Weise lässt sich die Schaltschwelle
des Systems, insbesondere dynamisch, beeinflussen bzw. verschieben
und/oder eine andere definierte Beschleunigung, welche erfasst bzw.
erkannt werden soll, einstellen. Die Form der beiden Flächen bzw.
Elektroden über
welche die elektrostatische Kraft erzeugt werden kann ist beliebig
und kann z.B. flach sein oder als Kammstruktur ausgeführt sein.
Durch Beeinflussung der elektrostatischen Kraft kann zusätzlich die
Dämpfung
des Systems eingestellt, bzw. beeinflusst werden. Es ist weiterführend beispielhaft
möglich
die Schwingung des Balkenelements 1 über die elektrostatische Kraft
(den Kondensator) zu regeln.
-
In 5 ist
ein beispielhafter Beschleunigungsschalter dargestellt, der ein
erstes und ein zweites elektrisches Kontaktelement 4, 5 aufweist, bei
denen jeweils ein Perma nentmagnet 8, 9 angeordnet
ist. Diese Permanentmagneten sind so magnetisiert und zueinander
angeordnet, dass sich diese gegenseitig anziehen. Wird Balkenelement 1 nun durch
eine definierte äußere Beschleunigung a → zu Basiselement 2 hin
ausgelenkt, so dass der Kopf 3 Balkenelements 1,
welcher Permanentmagnet 9 aufweist, einen definierten Abstand
zu Permanentmagnet 8 des Basiselements 2 besitzt
an welchem die magnetische Anziehungskraft M → größer ist als die Rückstellkraft R → des
Balkenelements 1, so werden Balkenelement 1 und
Basiselement 2 voneinander angezogen bis sich diese gegenseitig
berühren
und ein elektrischer Kontakt über
das erste und das zweite elektrische Kontaktelement 4, 5 des
Beschleunigungsschalters geschlossen wird. Dieser Schaltvorgang
wird auch bei geringerer Beschleunigung a → durch die Wirksamkeit der
magnetischen Anziehungskraft M → gehalten. Diese Selbsthaltung kann durch
Anlegen geeigneter elektrischer Potentiale an Elektroden 13 und 14 wieder
gelöst
werden, wobei zu diesem Zweck die angelegten Potentiale eine solche abstoßende Wirkung
haben müssen,
dass eine elektrostatische Kraft E → wirkt, welche in Summe mit Rückstellkraft R → des
Balkenelements 1 größer sein
muss als magnetische Anziehungskraft M →. Alternativ können auch
andere elektrische Potentiale und/oder Spannungen an Elektroden 13, 14 angelegt
werden. Elektroden 13, 14 und elektrische Kontaktelemente 4, 5 sind
beispielgemäß über nicht
dargestellte Bonddrähte
mit einer Schaltung verbunden.
-
6 zeigt
einen speziellen beispielhaften Beschleuni gungsschalter, welcher
ebenfalls für
eine Selbsthaltefunktion ausgelegt ist. Diese Selbsthaltefunktion
ist als eine biegsame mechanische Sperre 10 ausgebildet,
welche im Wesentlichen senkrecht zu Balkenelement 1 ausgerichtet
ist und mit Basiselement 2 fest verbunden ist. Mechanische
Sperre 10 weist gegenüber
dem Kopf 3 des Balkenelements 1 einen keilförmigen Vorsprung
auf. Dem gegenüber weist
Kopf 3 des Balkenelements 1 einen Vorsprung in
Form eines Fingers auf. Dieser Finger ist speziell in dieser beispielhaften
Ausführungsform
leicht zu Basiselement 2 hin gekrümmt. Kopf 3 des Balkenelements 1 beziehungsweise
dessen fingerförmiger
Vorsprung berührt
im unausgelenkten Zustand des Balkenelements 1 den keilförmigen Vorsprung
mechanischer Sperre 10, wobei der Berührpunkt oberhalb der Keilspitze
liegt. Wird Balkenelement 1 durch eine von außen angreifende
Beschleunigung a → ausgelenkt, so wird mechanische Sperre 10 durch
den fingerförmige Vorsprung
von Kopf 3 des Balkenelements 1 leicht zurückgebogen,
also von Kopf 3 des Balkenelements 1 weg, wobei
der fingerförmige
Vorsprung von Kopf 3 des Balkenelements 1 über die
Keilspitze mechanischer Sperre 10 streift und sich unter
den keilförmigen
Vorsprung mechanischer Sperre 10 unterhakt. Dabei wird
ein elektrischer Kontakt durch Berührung der elektrischen Kontaktelemente 4, 5 Balken-
und Basiselements 1, 2 geschlossen. Diese Selbsthaltung
bleibt unabhängig
von außen
angreifenden Beschleunigungskräften
bestehen. Zur Lösung
dieser Selbsthaltung ist jeweils einander gegenüberliegend mechanische Sperre 10 und
Deckel 7 auf der Balkenelement 1 abgewandten Seite
mit einer Elektrode 15, 16 ausgestattet. Um die
Selbsthaltung damit zu lösen müssen an
Elektroden 15, 16 einander anziehende elektrische
Potentiale angelegt werden, die eine Kraft erzeugen, welche mechanische
Sperre 10 von Kopf 3 Balkenelements 1 weg
auslenkt. Elektroden 15, 16 sind in diesem speziellen
Ausführungsbeispiel
mit Bonddrähten
an geeignete externe elektrische Potentiale angeschlossen. Alternativ
beispielhaft können
die an Elektroden 15,16 angelegten Potentiale auch
so gewählt
werden, dass eine Betätigung
der Sperre erfolgt und über
die Variation der angelegten Potentiale kann die Auslenkung mechanischer
Sperre 10 in gewissen Grenzen beliebig gesteuert werden.
-
In 7 ist
eine beispielhafte Ausführungsform
des Beschleunigungsschalters als Umschalter dargestellt, in der
Deckel 7 noch nicht auf Basiselement 2 aufgebracht
ist. Balkenelement 1 weist an Kopf 3 ein erstes 4 und
ein drittes 11 elektrisches Kontaktelement auf. Diese beiden
Kontaktelemente 4, 11 sind beispielhaft durch
einen dotierten Leitungskanal miteinander elektrisch leitend verbunden,
sie können
allerdings auch alternativ beispielhaft voneinander elektrisch isoliert
sein. Deckel 7 weist ein viertes elektrisches Kontaktelement 12 auf
und Basiselement 2 weist ein zweites elektrisches Kontaktelement 5 auf.
Darüber
hinaus ist ein Puffer 6 an Basiselement 2 vorhanden.
Balkenelement 1 mit dessen Kopf 3 hat elektrisch
ein Masse-Potential. Hierdurch kann im Fall, dass an viertem elektrischen
Kontaktelement 12 ein anderes Potential anliegt als an
zweitem elektrischen Kontaktelement 5 durch die Richtung und/oder
Höhe der
Stroms welcher über
Balkenelement 1 fließt,
auf die Schaltstellung des Beschleunigungsschalters als Umschalter
geschlossen werden.
-
8 veranschaulicht
eine beispielgemäße Ausführungsform
des Beschleunigungsschalters aus 7, bei dem
Deckel 7 auf Basiselement 2 angeordnet und befestigt
ist. Dabei berührt
Deckel 7 mit viertem elektrischen Kontaktelement 12 Balkenelement 1 an
drittem elektrischen Kontaktelement 11 und lenkt Balkenelement 1 um
einen definierten Betrag zu Basiselement 2 hin aus. Hierdurch
ist Balkenelement 1 mit einer definierten Vorspannkraft V → entsprechend
der Auslenkung durch Deckel 7 vorgespannt.
-
9 zeigt
beispielgemäß die Ausführungsform
aus 8, wobei der Beschleunigungsschalter eine äußere Beschleunigung a → im
Wesentlichen senkrecht zu Balkenelement 1 und zu Basiselement 2 hin
orientiert erfährt.
Aufgrund dieser Beschleunigung a → und Vorspannkraft V → hervorgerufen
durch Deckel 7 wird Balkenelement 1 zu Basiselement 2 hin ausgelenkt,
so dass sich elektrische Kontaktelemente 4, 5 berühren und
dadurch ein elektrischer Kontakt geschlossen ist. Nach diesem Umschalten
ist der obere Kontakt also geöffnet
und der untere Kontakt geschlossen.
-
7 und 8 können auch
zur Veranschaulichung eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung
eines Beschleunigungsschalters als Umschalter verwendet werden.
Dabei wird zunächst
der Beschleunigungsschalter separat von Deckel 7 gefertigt.
Dann wird Deckel 7 so auf Basiselement 2 aufsetzt
und positioniert und befestigt, dass Deckel 7 Balkenelement 1 berührt zu Basiselement 2 hin
auslenkt. Durch dieses Aufbringen des Deckels wird eine mechanische
Vorspannung und entsprechend eine Vorspannkraft V → hervorgerufen.