DE102009027011A1 - Körperschallsensor - Google Patents

Körperschallsensor Download PDF

Info

Publication number
DE102009027011A1
DE102009027011A1 DE200910027011 DE102009027011A DE102009027011A1 DE 102009027011 A1 DE102009027011 A1 DE 102009027011A1 DE 200910027011 DE200910027011 DE 200910027011 DE 102009027011 A DE102009027011 A DE 102009027011A DE 102009027011 A1 DE102009027011 A1 DE 102009027011A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
borne sound
electrode fingers
sound sensor
membrane
suspension
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE200910027011
Other languages
English (en)
Inventor
Reinhard Neul
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE200910027011 priority Critical patent/DE102009027011A1/de
Publication of DE102009027011A1 publication Critical patent/DE102009027011A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00Electrostatic transducers
    • H04R19/005Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60RVEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R21/00Arrangements or fittings on vehicles for protecting or preventing injuries to occupants or pedestrians in case of accidents or other traffic risks
    • B60R21/01Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents
    • B60R21/013Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including means for detecting collisions, impending collisions or roll-over
    • B60R21/0136Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including means for detecting collisions, impending collisions or roll-over responsive to actual contact with an obstacle, e.g. to vehicle deformation, bumper displacement or bumper velocity relative to the vehicle
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P2015/0805Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
    • G01P2015/0808Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
    • G01P2015/0811Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
    • G01P2015/0814Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type

Abstract

Es wird ein Körperschallsensor vorgeschlagen, der eine Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern (112) und eine Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern (114, 116) aufweist, die mit einem Träger (306) gekoppelt sind. Dabei weisen die ersten Elektrodenfinger (112) jeweils unterschiedliche Eigenfrequenzen auf. Die zweiten Elektrodenfinger (114, 116) weisen jeweils eine Eigenfrequenz auf, die größer als die unterschiedlichen Eigenfrequenzen der ersten Elektrodenfinger ist. Die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger sind ineinandergreifend angeordnet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Körperschallsensor gemäß den Ansprüchen 1, 5 und 8, eine Tragvorrichtung für einen Körperschallsensor gemäß Anspruch 14 und eine Verwendung eines Klopfsensors gemäß Anspruch 15.
  • Für Airbag-Anwendungen werden mikromechanische Beschleunigungssensoren verwendet. Die Beschleunigungssensoren werden unter anderem auch als Körperschallsensoren eingesetzt. Die Körperschallsensoren können den Körperschall in der Struktur eines Autos bei einem Aufprall sensieren. Bisher eingesetzte Sensoren, wie z. B. der SMB 470 von AE, können Frequenzen bis 20 kHz erfassen.
  • Die DE 10 2004 031 557 A1 beschreibt ein Verfahren zur insassengefährdungsrelevanten Aktivierung von Insassen-Schutzeinrichtungen in einem Kraftfahrzeug bei Crashfällen. Dazu wird ein Sensorelement aus Piezoxid eingesetzt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Körperschallsensor gemäß den Ansprüchen 1, 5 und 8, eine Tragvorrichtung für einen Körperschallsensor gemäß Anspruch 14 und eine Verwendung eines Klopfsensors gemäß Anspruch 15 geschaffen.
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass zur Airbag-Sensierung wesentlich höhere Frequenzen als die bisherigen 20 kHz verwendet werden können. Dabei wird an einen Frequenzbereich von über 100 kHz bis in den MHz-Bereich gedacht. Die erfindungsgemäßen Sensoren können Körperschall in diesen hohen Frequenzbereichen erfassen. Dabei können die Sensoren auf einem elektrostatischen Auswerteprinzip, aber auch auf piezoresistiven oder piezoelektrischen Auswerteprinzipien basieren.
  • Kern der Erfindung sind dabei sowohl mikromechanische Strukturen, die bis in Bereiche von einigen hundert Kilohertz und sogar Megahertz Beschleunigungen und damit Körperschall erfassen können, als auch für diese Frequenzbereiche geeignete Auswerteschaltungen sowie eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik und Montierungen. Die erfindungsgemäßen Ansätze ermöglichen es, die maximal erfassbaren Frequenzen eines Beschleunigungs- und damit auch Körperschallsensors zu erhöhen. Somit kann ein hochfrequenter Körperschallsensor geschaffen werden.
  • Bei den erfindungsgemäßen Körperschallsensoren kann es sich um Beschleunigungssensoren in Form von mikro-elektro-mechanischen Systemen handeln. Die Körperschallsensoren können aus Silicium hergestellt werden. Die Sensorelemente können dabei mittels bekannter Verfahren aus dem Silicium herausgeätzt werden. Somit können die Sensorelemente bewegliche oberflachenmikromechanische Strukturen darstellen, die auf einer Oberfläche einer Siliziumstruktur angeordnet sind. Die Körperschallsensoren können Feder-Masse-Systeme darstellen, die die Frequenzen des zu erfassenden Körperschalls sensieren können. Durch den Körperschall kann eine Auslenkung der Masse erfolgen. Die Auslenkung der Masse kann wiederum eine Änderung einer elektrischen Kapazität zur Folge haben. Die Kapazität kann zwischen einer an der Masse angeordneten Elektrode und einer relativ zur Masse feststehenden Gegenelektrode gemessen und anschließend ausgewertet werden.
  • Die vorliegende Erfindung schafft einen Körperschallsensor, mit folgenden Merkmalen: einer Aufhängeeinrichtung mit einer ersten Aufhängefeder, einer zweiten Aufhängefeder und einer Schwingmasse, wobei die Schwingmasse zwischen der ersten und der zweiten Aufhängefeder angeordnet ist, und wobei die Aufhängeeinrichtung eine Eigenfrequenz aufweist, die größer als 30 KHz ist; einer Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern, die mit der Schwingmasse gekoppelt sind; und einer Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern, die von der Schwing masse entkoppelt sind, wobei die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger ineinandergreifend angeordnet sind.
  • Bei dem Körperschallsensor kann es sich um einen kapazitiven Sensor handeln. Insbesondere kann der Körperschallsensor als mikromechanisches Bauteil ausgebildet sein. Dabei können die Elemente des Körperschallsensors in einer Ebene angeordnet sein und mittels eines Ätzverfahrens aus einer Schicht eines Substrats ausgeformt sein. Bei der Schwingmasse kann es sich um ein stabförmiges Element handelt, dass zwischen den Aufhängefedern angeordnet ist. Die Aufhängefedern können einen zu erfassenden Körperschall aufnehmen und auf die Schwingmasse übertragen. Dazu können die Aufhängefedern, auf einer der Schwingmasse gegenüberliegenden Seite, mit einem Trägerelement verbunden sein, über das der Körperschall übertragen wird. Die Aufhängefedern können als U-Federn ausgebildet sein. Die Aufhängefedern können eine Federsteifigkeit aufweisen, die zusammen mit der Schwingmasse auf die Frequenz des zu erfassenden Körperschalls abgestimmt ist. Abgestimmt kann dabei bedeuten, dass die Eigenfrequenz der Aufhängeeinrichtung, der Frequenz des zu erfassenden Körperschalls entspricht oder größer als diese ist. Die ersten Elektrodenfinger können jeweils in Form von Stäbchen ausgebildet sein und von der Schwingmasse abstehen. Mit der Schwingmasse gekoppelt, kann bedeuten, dass die ersten Elektrodenfinger mechanisch fest mit der Schwingmasse verbunden sind, und somit eine Auslenkung der Schwingmasse mit ausführen können. Die zweiten Elektrodenfinger können ebenfalls in Form von Stäbchen ausgebildet sein und beispielsweise fest mit dem Trägerelement verbunden sein. Entkoppelt von der Schwingmasse kann bedeuten, dass die zweiten Elektrodenfinger die Auslenkung der Schwingmasse nicht mit ausführen. Somit führt eine Auslenkung der Schwingmasse zu einer Abstandsänderung zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern. Die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger können nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sein. Dabei können sich die ersten und die zweiten Elektrodenfinger überlappen. Auf diese Weise kann ein erster Elektrodenfinger jeweils eine Elektrode und ein benachbarter zweiter Elektrodenfinger eine zugeordnete Gegenelektrode bilden. Zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern kann eine Spannung angelegt werden. Eine relative Bewegung zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern kann somit zu einer Änderung der Kapazität zwischen den ersten Elektrodenfingern und den zweiten Elektrodenfingern führen. Die zweiten Elektrodenfinger können alle oder gruppiert, elektrisch leitend verbunden sein. Die Kapazitätsänderung kann erfasst und ausgewertet werden kann. Somit kann über die Kapazitätsänderung auf die Auslenkung und somit auf eine zugrundeliegende Beschleunigung geschlossen werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform können die ersten Elektrodenfinger jeweils eine Eigenfrequenz aufweisen, die einer Frequenz des zu erfassenden Körperschalls entspricht. In diesem Fall können die Aufhängefedern eine Eigenfrequenz aufweisen, die größer ist als die Eigenfrequenz der ersten Elektrodenfinger ist. Auf diese Weise kann Körperschall mit einer weitaus höheren Frequenz erfasst werden, als es bei bekannten Sensoren möglich ist.
  • Beispielsweise können die ersten Elektrodenfinger eine Eigenfrequenz aufweisen, die größer als 100 kHz ist. Auf diese Weise kann Körperschall mit Frequenzen von über 100 kHz kapazitiv erfasst werden.
  • Vorteilhafterweise kann die Schwingmasse ausgebildet sein, um eine Modenkopplung zwischen den ersten Elektrodenfingern zu schaffen. Dazu kann die Aufhängeeinrichtung nicht völlig fest aber trotzdem steif ausgelegt sein. Mittels der Modenkopplung können Schwingungen der einzelnen ersten Elektrodenfinger synchronisiert werden. Somit kann das aus den ersten Elektrodenfingern und der Schwingmasse bestehende System auf die Frequenz des zu erfassenden Körperschalls abgestimmt sein.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen Körperschallsensor, mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern, die mit einem Träger gekoppelt sind, wobei die ersten Elektrodenfinger jeweils unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen; und einer Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern, die mit dem Träger gekoppelt sind, wobei die zweiten Elektrodenfinger jeweils eine Eigenfrequenz aufweisen, die größer als die unterschiedlichen Eigenfrequenzen der ersten Elektrodenfinger ist, und wobei die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger ineinandergreifend angeordnet sind.
  • Mittels diesem Körperschallsensor können sowohl Frequenzen unterhalb von 20 kHz als auch Frequenzen oberhalb von 20 kHz bis zu einigen Megahertz erfasst werden. Durch die unterschiedlichen Eigenfrequenzen der ersten Elektrodenfinger kann der Körperschallsensor ausgebildet sein, um Körperschall mit unterschiedlichen Frequenzen zu erfassen. Dabei kann jeder der unterschiedlichen Eigenfrequenzen einer Körperschallfrequenz zugeordnet sein, bzw. es kann ein Körperschallfrequenzbreich abgedeckt werden,
  • Um die unterschiedlichen Eigenfrequenzen auszubilden, können die Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern jeweils unterschiedliche Längen und/oder Breiten aufweisen, um die unterschiedlichen Eigenfrequenzen auszubilden.
  • Beispielsweise können die unterschiedlichen Eigenfrequenzen in einem Bereich zwischen 100 kHz und 10 MHz liegen. Somit kann Körperschall in diesem Frequenzbereich erfasst werden.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen Körperschallsensor, mit folgenden Merkmalen: einer Membran, die ausgebildet ist, um ansprechend auf den Köperschall eine Formänderung auszuführen; und einer Erfassungseinrichtung, die ausgebildet ist, um die Formänderung zu erfassen.
  • Ein solcher Körperschallsensor ermöglicht höhere Eigenfrequenzen und damit noch höhere Messbandbreiten bis in den MHz-Bereich hinein. Der Aufbau dieses Körperschallsensors kann ähnlich einem Drucksensor sein. Die Membran kann dabei als Schwingmasse fungieren. Die Membran kann eine beliebige Form aufweisen. Beispielsweise kann die Membran einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen. Die Membran kann so befestigt sein, dass sich Beschleunigungen, die durch einen zu erfassenden Körperschall auf die Membran übertragen werden, zu einer Durchbiegung oder Schwingung der Membran führen. Eine solche Formänderung kann mittels der Erfassungseinrichtung erfasst werden. Die Erfassungseinrichtung kann dazu mit der Membran verbunden oder gekoppelt sein. Beispielsweise kann die Erfassungseinrichtung ausgebildet sein, um die Formänderung kapazitiv oder unter Ausnutzung des Piezoeffekts zu erfassen.
  • Die Membran kann mindestens eine Durchgangsöffnung aufweisen. Dies ist möglich, da lediglich Beschleunigungen von der Membran aufgenommen Werden müssen. Durch die mindestens eine Durchgangsöffnung kann die Steifheit der Membran vermindert werden. Prozessbedingt kann die Membran eine Vorspannung aufweisen, die zu einer Hysterese bei der Formänderung führen kann. Ein Verlauf der Formänderung kann mittels der mindestens einen Durchgangsöffnung linearisiert werden. Die Durchgangsöffnung kann als eine Aussparung in einer beliebigen, beispielsweise länglichen Form, in der Membran realisiert sein. Die Aussparung kann vollständig innerhalb der Membran angeordnet sein, und somit eine Durchgangsöffnung darstellen, oder mit einem äußeren Rand der Membran verbunden sein, und somit einen Einschnitt oder eine Einbuchtung ausformen. Beispielsweise kann die Membran eine Mehrzahl von Aussparungen aufweisen, die in einem Randbereich der Membran angeordnet sind. Ferner kann die Membran eine Mehrzahl von Schlitzen aufweisen, die in die Membran hineinreichen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann der Körperschallsensor ein Gehäuse aufweisen. Das Gehäuse kann einen Innenraum aufweisen, in dem die Membran angeordnet sein kann. Dabei kann das Gehäuse ausgebildet sein, um den Innenraum druckdicht gegenüber einem Äußeren des Gehäuses abzuschließen. Auf diese Weise kann die Membran zugleich vor Feuchtigkeit oder Verschmutzungen geschützt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Erfassungseinrichtung eine Elektrode aufweisen, die ausgebildet ist, um eine Gegenelektrode zu der Membran auszubilden. Somit kann eine Formänderung der Membran kapazitiv erfasst werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Erfassungseinrichtung ein piezoelektrisches oder piezoresistives Element aufweisen, das mit der Membran gekoppelt ist. Insbesondere kann das Piezo-Element auf einer Oberfläche der Membran, an einer Stelle angeordnet sein, die bei der Formänderung besonders stark gebogen wird.
  • Der erfindungsgemäße Körperschallsensor kann eine Auswerteschaltung aufweisen oder mit einer solchen gekoppelt sein. Die Auswerteschaltung kann einen Operationsverstärker aufweisen, der eingangsseitig mit mindestens einer Elektrode des Körperschallsensors verbunden sein kann. Der Operationsverstärker kann über einen Gegenkopplungswiderstand verfügen oder eine kapazitive Beschaltung aufweisen. Dies ermöglicht eine analoge Auswertung der Kapazitätsänderungen. Im Unterschied zu einer digitalen Auswertung sind hierbei keine ho hen Abtastfrequenzen erforderlich. Ist der Körperschallsensor auf einem Halbleiterbaustein realisiert, so kann die Auswerteschaltung auf demselben Halbleiterbaustein integriert sein.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Tragvorrichtung für einen Körper schallsensor, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Koppeleinrichtung, zum Befestigen der Tragvorrichtung an einem, den Körperschall übertragenden Körper; einer zweiten Koppeleinrichtung, zum Befestigen des Körperschallsensors an der Tragvorrichtung; und einem Tragelement, das ausgebildet ist, um den Körperschall zwischen der ersten Koppeleinrichtung und der zweiten Koppeleinrichtung zu übertragen.
  • Mittels der Tragvorrichtung kann der Körperschallsensor beispielsweise an einer Karosserie eines Fahrzeugs befestigt werden und Körperschall erfassen, der über die Karosserie übertragen wird. Das Tragelement kann aus einem Material ausgebildet sein, das eine mechanische Übertragung hoher Frequenzen, beispielsweise im MHz-Bereich ermöglicht. Beispielsweise kann das Tragelement aus Metall ausgeformt sein. Die erste Koppeleinrichtung kann ausgebildet sein, um eine Schraubverbindung zu ermöglichen, über die die Tragvorrichtung so an den Körper befestigt werden kann, dass der Körperschall möglichst ungedämpft von dem Körper über die Schraubverbindung auf die Tragvorrichtung übertragen werden kann. Die zweite Koppeleinrichtung kann einen Oberflächenbereich des Tragelements darstellen, das geeignet ist, um eine Lötverbindung oder eine Klebeverbindung zu dem Körperschallsensor zu ermöglichen.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine neue Verwendung eines Klopfsensors als Körperschallsensor. Dies ermöglicht es, bereits bekannte Sensoren und Sensorprinzipien für den neuen Einsatzbereich der Körperschallsensierung für Airbaganwendungen einzusetzen.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Körperschallsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Körperschallsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Körperschallsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine schematische Darstellung eines Körperschallsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine schematische Darstellung einer Membran eines Körperschallsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine schematische Darstellung einer Membran eines Körperschallsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 8 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 9 eine schematische Darstellung einer Tragvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
  • 1 zeigt ein Substrat 100, auf dessen Oberfläche mikromechanische Strukturen angeordnet sind, die einen Körperschallsensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schaffen. Der Körperschallsensor weist eine erste Aufhängefeder 102, eine zweite Aufhängefeder 104 und eine Aufhängung 106 in Form einer Schwingmasse auf. Die Aufhängung 106 ist in Form eines Stabes oder Streifens ausgeführt. Die erste Feder 102 ist mit einem Ende der Aufhängung 106 verbunden. Die zweite Feder 104 ist mit einem, der ersten Feder 102 gegenüberliegenden Ende der Aufhängung 106 verbunden. Die erste Feder 102, weist auf einer der Aufhängung 106 gegenüber liegenden Seite einen Verbindungspunkt 108 auf, über den die erste Feder 102 mechanisch fest mit dem Substrat 100 verbunden sein kann. Die zweite Feder 104 weist auf einer der Aufhängung 106 gegenüber liegenden Seite einen Verbindungspunkt 110 auf, über den die zweite Feder 104 mechanisch fest mit dem Substrat 100 verbunden sein kann. Über den Verbindungspunkt 108 kann eine Bewegung des Substrats 100 auf die erste Feder 102 und über die erste Feder 102 auf die Aufhängung 106 übertragen werden. In entsprechender Weise, kann über den Verbindungspunkt 110 die Bewegung des Substrats 100 auf die zweite Feder 104 und über die zweite Feder 104 auf die Aufhängung 106 übertragen werden. Somit kann die Aufhängung eine Längsbewegung in Richtung des Verbindungspunkts 108 oder in Richtung des Verbindungspunkts 110 ausführen.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Körperschallsensor erster Elektrodenfinger 112 und zweite Elektrodenfinger 114, 116 auf. Die Elektrodenfinger 112, 114, 116 können beidseitig der Aufhängung 106 angeordnet sein. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 nur einige der Elektrodenfinger 112, 114, 116 mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen.
  • Die ersten Elektrodenfinger 112 sind an einem ersten Ende mechanisch fest mit der Aufhängung 106 verbunden. Ein gegenüberliegendes, zweites Ende der ersten Elektrodenfinger 112 kann frei sein. Auf diese Weise können die ersten Elektrodenfinger 112 die gleichen Bewegungen ausführen, die auch die Aufhängung 106 ausführt. Die Elektrodenfinger 112 können in Form von Stäben oder dünnen Streifen ausgebildet sein. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel stehen die ersten Elektrodenfinger 112 senkrecht von der Aufhängung 106 ab.
  • Die zweiten Elektrodenfinger 114, 116 können parallel zu den ersten Elektrodenfinger 112 angeordnet sein. Dabei können sich die ersten Elektrodenfinger 112 und die zweiten Elektrodenfinger 114, 116 in weiten Bereichen überlappen. Erste Enden der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 sind der Aufhängung 106 zugewandt. Gegenüberliegende zweite Enden der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 können mechanisch fest mit dem Substrat 100 verbunden sein. Ferner können die zweiten Enden der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 elektrisch leitend mit einander verbunden sein. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel bilden die zweiten Elektrodenfinger 114, 116 zwei Gruppen. Dabei sind die zweiten Enden der zweiten Elektrodenfinger 114 elektrisch leitend miteinander verbunden und die zweiten Enden der zweiten Elektrodenfinger 116 elektrisch leitend miteinander verbunden. Somit können der zweiten Elektrodenfinger 114 und die zweiten Elektrodenfinger 116 voneinander isoliert sein. Entsprechende Leiterbahnen zur Verbindung der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 können mit einer Auswerteschaltung verbunden sein, wie sie beispielsweise in den 7 und 8 gezeigt ist. Die Auswerteschaltung kann auf dem Substrat 100 angeordnet sein.
  • Die Elemente 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116 können mikromechanische Strukturen darstellen, die in einer gemeinsamen Ebene, parallel zu einer Oberfläche des Substrats 100 angeordnet sein können. Dabei können die Federn 102, 104, die Aufhängung 106, die ersten Elektrodenfinger 112 sowie der Aufhängung 106 zugewandte Abschnitte der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 über der Oberfläche des Substrats 100 frei beweglich angeordnet sein. Die Elemente 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116 können beispielsweise Strukturen aus Silizium oder einem anderen Material darstellen, die mittels eines Abscheide- und/oder Ätzverfahrens auf dem Substrat 100 herausgebildet wurden.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können die Federn 102, 104 eine Rahmenstruktur aufweisen. Jeweils gegenüberliegende längere Schenkel der Federn 102, 104 können zum einen mit der Aufhängung 106 und zum anderen mit den Verbindungspunkten 108, 110 verbunden sein. Die Federn 102, 104 können so ausgeformt sein, dass sie zusammen mit der Aufhängung 106 ein Feder-Masse-System ausbilden, dessen Eigenfrequenz an die Frequenzen des von dem Körperschallsensor zu erfassenden Körperschalls angepasst ist. Dabei kann zusätzlich die Masse der mit der Aufhängung 106 verbundenen ersten Elektrodenfinger 112 berücksichtigt werden. Die ersten Elektrodenfinger 112 können eine Eigenfrequenz aufweisen, die größer ist, als die Eigenfrequenz der Aufhängeeinrichtung 102, 104, 106.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist benachbart zu jeweils einem ersten Elektrodenfinger 112, auf der einen Seite ein zweiter Elektrodenfinger 114 und auf der anderen Seite ein zweiter Elektrodenfinger 116 angeordnet. Durch eine Bewegung des ersten Elektrodenfingers 112 verringert sich der Abstand zu dem zweiten Elektrodenfinger 114 und vergrößert sich der Abstand zu dem zweiten Elektrodenfinger 116, oder umgekehrt. Diese Abstandsänderungen führen zu einer Kapazitätsänderung, die mittels einer entsprechenden Auswerteschaltung gemessen werden kann.
  • Beispielsweise kann die Eigenfrequenz der Aufhängung 102, 104, 106 auf Werte zwischen 30 kHz und 300 kHz, also beispielsweise auf 30, 60, 90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300 kHz eingestellt werden. Kleinere, größere sowie dazwischen liegende Werte sind bei einer entsprechenden Auslegung des Feder-Masse-Systems ebenfalls möglich. Der Körperschallsensor kann besonders geeignet sein, um Körperschall mit der entsprechenden Frequenz zu empfangen, auf die die Aufhängung 102, 104, 106 eingestellt. Im Fall einer breitbandigen Körperschallsensierung wird die Eigenfrequenz an das obere Ende des Messbereichs oder darüber eingestellt.
  • Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel kann darauf basieren, dass die Federn 102, 104 bisher verwendeter mikromechanischer Sensorstrukturen, mit einem elektrostatischen Auswerteprinzip, versteift werden. Dieses Verfahren kann spätestens im Bereich der weiteren Eigenmoden der Struktur, zum Beispiel der Finger 112 seine Grenzen erreichen.
  • 2 zeigt ein Substrat 100, auf dessen Oberfläche mikromechanische Strukturen angeordnet sind, die einen Körperschallsensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schaffen. Eine Struktur des in 2 gezeigten Körperschallsensors entspricht einer Struktur des in 1 gezeigten Körperschallsensors, mit dem Unterschied, dass die Federn 102, 104 sowie die ersten Elektrodenfinger 112 andere Federsteifigkeiten und somit andere Eigenfrequenzen aufweisen.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können die ersten Elektrodenfinger 112 eine Eigenfrequenz aufweisen, die an die Frequenz des zu erfassenden Körperschalls angepasst ist. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz der ersten Elektrodenfinger 112 der Frequenz des zu erfassenden Körperschalls entsprechen oder im Fall einer breitbandigen Körperschallsensierung am oberen Ende des zu erfassenden Frequenzbereiches oder darüber liegen, Beispielsweise kann die Eigenfrequenz der ersten Elektrodenfinger 112 im Bereich von einigen 100 kHz liegen. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz bei 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 kHz oder dazwischenliegenden Werten liegen.
  • Die Federn 102, 104 können eine Eigenfrequenz aufweisen, die höher als die Eigenfrequenz der ersten Elektrodenfinger 112 ist. Dazu können die Federn 102, 104 im Vergleich zu den in 1 gezeigten Federn kleiner ausgeführt sein. Beispielsweise können die Federn 102, 104 eine Länge aufweisen, die deutlich kleiner oder deutlich dicker als in 1 ist. Die ersten Elektrodenfinger 112 können eine Länge aufweisen, die länger ist, als jeweils über die Aufhängung 106 hinausreichende Abschnitte der Federn 102, 104. Beispielsweise können die ersten Elektrodenfinger 112 eine Länge aufweisen, die mehr als doppelt so lang ist wie die jeweils über die Aufhängung 106 hinausreichende Abschnitte der Federn 102, 104. Beispielsweise können Überlappungsbereiche zwischen den ersten Elektrodenfingern 112 und den zweiten Elektrodenfingern 114, 116 vollständig oder zu mindestens größtenteils außerhalb eines zwischen den Federn 102, 104 liegenden Bereichs angeordnet sein.
  • Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel können im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weitaus höhere erfassbare Frequenzen erreicht werden, indem höher frequente Eigenmoden als Messeeffekt genutzt werden. Beispielsweise können die ersten Finger 112 selbst genutzt werden. Dabei kann die mittlere Aufhängung 106 nicht völlig fest aber trotzdem steif ausgelegt werden. Damit kann eine Modenkopplung der einzelnen Fingermoden der ersten Elektrodenfinger 112 erreicht werden, die dann die gleiche Eigenfrequenz aufweisen. Die Eigenresonanz kann dabei im Bereich von einigen 100 kHz liegen. Somit können mit dem in 2 gezeigten Körperschallsensor Beschleunigungen prinzipiell bis in diesen Bereich erfasst werden. Oberhalb der Eigenresonanz kann die Empfindlichkeit schnell mit 40 dB pro Frequenzdekade abnehmen. Die Finger der Gegenelektroden 114, 116 sollen eine wesentlich höhere Eigenfrequenz aufweisen, als die Messfinger 112, da sonst die Messempfindlichkeit verringert wird. Dies kann erreicht werden, indem die Gegenelektroden 114, 116 kürzer und/oder breiter als die Messfinger 112 sind, bzw. auch über größere Bereiche ihrer Länge am Substrat befestigt sein können.
  • 3 zeigt ein Substrat 100, auf dessen Oberfläche mikromechanische Strukturen angeordnet sind, die einen Körperschallsensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schaffen. Im Unterschied zu den in 1 und 2 gezeigten Körperschallsensoren sind die ersten Elektrodenfinger 112 gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht mit einer beweglichen Aufhängung 106 sondern mit einem festen Träger 306 verbunden. Der Träger 306 kann mechanisch fest mit dem Substrat 100 verbunden, beziehungsweise ein Teil desselben sein. Auf diese Weise können durch den zu erfassenden Körperschall hervorgerufene Beschleunigungen in dem Substrat 100 über den Träger 306 direkt über die mit dem Träger 306 verbundenen Enden der ersten Elektrodenfinger 112 auf diese übertragen werden. Die zweiten Elektrodenfinger 114, 116 können wie in den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen an einem dem Träger 306 zugewandten Ende frei und an einem gegenüberliegenden Ende mit dem Substrat 100 verbunden sein. Die Eigenfrequenz der ersten Elektrodenfinger 112 kann einer Frequenz des zu erfassenden Körperschalls entsprechen.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann mit dem Körperschallsensor Körperschall mit unterschiedlichen Frequenzen erfasst werden. Dazu können die ersten Elektrodenfinger 112 unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen, die jeweils auf eine bestimmte Frequenz oder Frequenzbereich eines zu erfassenden Körperschallfrequenzbereichs abgestimmt sind.
  • Die unterschiedlichen Eigenfrequenzen der ersten Elektrodenfinger 112 können beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die ersten Elektrodenfinger 112 unterschiedliche Längen aufweisen. Dazu kann der Träger 306 eine Abstufung aufweisen. Auf diese Weise, können, dem Träger 306 gegenüberliegende Enden der ersten Elektrodenfinger 112 auf einer Linie liegen, die parallel zu einer Linie ausgerichtet ist, auf der, dem Träger 306 zugewandten Ende der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 liegen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein kürzester der ersten Elektrodenfinger 112 eine Länge aufweisen, die einer Länge der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 entspricht. Ein längster der ersten Elektrodenfinger 112 kann dagegen eine Länge aufweisen, die einer doppelten oder auch anderem Faktor der Länge der zweiten Elektrodenfinger 114, 116 entspricht. Alternativ oder zusätzlich können die ersten Elektrodenfinger 112 in ihrer Breite variiert werden, um die Eigenfrequenzen anzupassen.
  • Die ersten Elektrodenfinger 112 können Eigenfrequenzen aufweisen, die in einem vorbestimmten Frequenzbereich liegen. Der vorbestimmte Frequenzbereich kann beispielsweise einen Teilbereich darstellen, der zwischen 100 kHz und 1 MHz liegt. Der vorbestimmte Frequenzbereich kann beispielsweise einige 100 kHz umfassen. Liegt der vorbestimmte Frequenzbereich beispielsweise zwischen 300 kHz und 600 kHz, so kann ein Erster der ersten Elektrodenfinger 112 beispielsweise eine Frequenz von 300 kHz, ein Zweiter der ersten Elektrodenfinger 112 eine Frequenz von 400 kHz, ein Dritter der ersten Elektrodenfinger 112 eine Frequenz von 500 kHz und ein Vierter der ersten Elektrodenfinger 112 eine Frequenz von 600 kHz aufweisen. Dabei können die Eigenfrequenzen der einzelnen ersten Elektrodenfinger 112 gleichmäßig oder ungleichmäßig zwischen einer kleinsten Eigenfrequenz und einer größten Eigenfrequenz verteilt sein.
  • Der in 3 gezeigte Körperschallsensor kann beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn die in 2 gezeigte Struktur eine zu große Resonanzüberhöhung aufweist, die sich dann störend auswirkt. Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Resonanzüberhöhung vermieden werden, indem die Eigenresonanzen der Finger 112 absichtlich über einen Frequenzbereich verteilt werden. Dazu können die Finger 112 in der Länge und/oder in der Breite variiert werden. In diesem Fall kann die mittlere Aufhängung 306 auch komplett auf dem Substrat 100 befestigt sein.
  • Noch höhere Eigenfrequenzen und damit noch höhere Messbandbreiten bis in den MHz-Bereich können mit membranartigen Strukturen erreicht werden, wie sie in 4 gezeigt sind.
  • 4 zeigt einen Körperschallsensor im Querschnitt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Körperschallsensor kann es sich um einen mikromechanischen Sensor handeln. Der Körperschallsensor weist eine Membran 412 sowie eine Gegenelektrode 414 und zusätzlich oder alternativ ein oder mehrere Piezoelemente 418 auf. Die Membran 412 kann in einem Randbereich an einem Träger 422 befestigt sein. Der Träger 422 kann auf einem Substrat 424 angeordnet sein. Zwischen der Membran 412 und dem Substrat 424 kann ein Hohlraum bestehen. Der Körperschallsensor kann eine Abdeckung 426 aufweisen, die die Membran 412, auf einer dem Substrat 424 gege nüberliegenden Seite umschließt. Zwischen der Membran 412 und der Abdeckung 426 kann ein Hohlraum bestehen.
  • Beschleunigungen des Substrats 424 oder der Abdeckung 426, die beispielsweise durch einen zu erfassenden Körperschall auf den Körperschallsensor übertragen werden, können über den Träger 422 auf die Membran 412 übertragen werden. Eine auf die Membran 412 übertragene Beschleunigung kann eine Formänderung der Membran 412 bewirken. Die Formänderung kann beispielsweise in einer Durchbiegung der Membran 412 bestehen. Beispielsweise kann sich die Membran 412 in Richtung der Abdeckung 426 oder des Substrats 424 biegen. Ansprechend auf die Beschleunigung, kann die Membran 412 auch eine Schwingung ausführen.
  • Die Membran 412 kann vollständig in einem Innenraum des Körperschallsensors angeordnet sein. Der Innenraum kann gegenüber einem Äußeren des Körperschallsensors abgeschlossen sein. Dabei kann der Innenraum auch druckdicht abgeschlossen sein.
  • Die Gegenelektrode 414 kann auf einer der Membran 412 zugewandten Oberfläche des Substrats 424 so angeordnet sein, dass die Gegenelektrode 414 der Membran 412 gegenüberliegt. Zwischen der Membran 412 und der Gegenelektrode 414 kann ein elektrisches Feld bestehen, über das eine Formänderung der Membran 412 detektiert werden kann. Dazu kann die Membran 412 und/oder die Gegenelektrode 414 mit einer entsprechenden Auswerteschaltung verbunden sein.
  • Das mindestens ein Piezoelement 418 kann direkt auf einer Oberfläche der Membran 412 angeordnet sein. Insbesondere kann das Piezoelement 418 in einem Bereich der Membran 412 angeordnet sein, der ansprechend auf die Beschleunigung eine größte Durchbiegung aufweist. Dies kann beispielsweise ein Bereich sein, der an eine Überlappung der Membran 412 mit dem Träger 422 anschließt. Bei dem Piezoelement 418 kann es sich um ein piezoelektrisches oder piezoresistives Sensorelement handeln, mit dem eine Stärke der Formänderung der Membran 412 erfasst werden kann. In 4 sind zwei Piezoelemente 418 gezeigt.
  • Die Membran 412 kann eine ununterbrochene und dichte Fläche darstellen oder Öffnungen aufweisen. Beispielsweise kann die Membran 412 zur Verringerung von Hysterese-Effekten Aussparungen aufweisen, wie es beispielsweise in 5 gezeigt ist, oder sie kann eine trampolinartige Struktur aufweisen, wie es beispielsweise in 6 gezeigt ist.
  • Die Membran 412 kann ein Feder-Masse-System darstellen, dass eine vorbestimmte Eigenfrequenz aufweist. Die Eigenfrequenz der Membran 412 kann an eine Frequenz des zu erfassenden Körperschalls angepasst sein. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz der Membran 412 der Frequenz des zu erfassenden Körperschalls entsprechen. Im Fall einer breitbandigen Körperschallerfassung kann die Eigenfrequenz der Membran am oberen Ende oder über dem zu erfassenden Messbereich liegen. Die Eigenfrequenz der Membran 412 kann dabei in einem Bereich zwischen einigen Kilohertz und einigen Megahertz liegen. Beispielsweise kann die Eigenfrequenz der Membran 412 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5, 6 MHz oder größere, kleinere oder dazwischen liegende Werte aufweisen. Die Frequenz des zu erfassenden Körperschalls kann entsprechende Werte aufweisen.
  • Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann die Membran 112 selbst rund oder eckig sein oder eine andere geeignete Form aufweisen. Die Membran 112 kann dicht, das heißt undurchlässig sein, muss aber nicht dicht sein. Sie kann also auch perforiert sein. Damit können Drucksensorprozesse als auch Inertialsensorprozesse zur Herstellung verwendet werden. Benötigt wird die Gegenelektrode 414, z. B. auf dem Substrat 424 gegenüber der Membran 414 zur elektrostatischen Auswertung oder piezoelektrische oder piezoresistive Elemente 418 an Stellen auf der Membran 412, die bei Auslenkung der Membran 412 große Spannungen aufweisen und die vorzugsweise eine Wheatstonesche Brücke zur Messwertaufnahme bilden. Die Struktur kann verkappt sein und braucht in diesem Fall keinen Medienzugang.
  • 5 zeigt eine Membran 412 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Membran 412 kann beispielsweise in dem in 4 gezeigten Körperschallsensor eingesetzt werden. Die Membran 412 kann einen runden, beispielsweise kreisförmigen, aber auch eckigen Querschnitt aufweisen. Die Membran 412 kann eine oder eine Mehrzahl von Aussparungen 530 aufweisen, die jeweils eine Durchgangsöffnung ausbilden können. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Membran 412 eine Mehrzahl von Aussparungen 530 auf. Die Aussparungen 530 können in einem Randbereich der Membran 412 angeordnet sein. Dabei können die Aussparungen 530 gleichmäßig entlang eines Umkreises der Membran 412 angeordnet sein. Die Aussparungen 530 können einen länglichen, ovalen Querschnitt aufweisen. Die Aussparungen 530 können jeweils, in Bezug auf einen durch die Membran 412 dargestellten Kreis, auf einer Sekante liegen. Dabei kann jeweils ein Ende einer jeweiligen Aussparung 530 näher an einem Rand der Membran 412 angeordnet sein, als das gegenüberliegende Ende der jeweiligen Aussparung 530. Einander zugewandte Ende benachbarter Aussparungen 530 können sich überlappen.
  • 6 zeigt eine Membran 412 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Membran 412 kann beispielsweise in dem in 4 gezeigten Körperschallsensor eingesetzt werden. Die Membran 412 kann einen eckigen, beispielsweise rechteckigen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Die Membran 412 kann eine oder eine Mehrzahl von Schlitzen aufweisen, die sich von einem Randbereich der Membran 412 in einen Innenbereich der Membran 412 erstrecken. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Membran 412 vier Schlitze auf, die jeweils einen Randstreifen von einem Zentralbereich der Membran 412 abtrennen. Dazu können die Schlitze jeweils parallel zu den Rändern der Membran 412 verlaufen. Jeder Randstreifen kann an einem äußeren Ende einen Verbindungsbereich 640 aufweisen. Die Verbindungsbereiche 640 können ausgebildet sein, um die Membran 412, beispielsweise auf dem in 4 gezeigten Träger 422 zu befestigen.
  • Bei den, in den 1 bis 4 gezeigten Körperschallsensoren, kann eine Bewegung der Elektrodenfinger beziehungsweise der Membran kapazitiv erfasst werden. Dazu bilden die Elektrodenfinger beziehungsweise die Membran zusammen mit einer entsprechenden oder mehreren entsprechenden Gegenelektroden eine oder mehrere Sensorkapazitäten, deren Kapazität von einer geeigneten Auswerteschaltung erfasst werden kann. Als Auswerteschaltung für die elektrostatischen Messelemente kommen für die hier betrachteten höheren Frequenzen Basisbandprinzipien in Betracht.
  • 7 zeigt eine Auswerteschaltung gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise zusammen mit einem erfindungsgemäßen Körperschallsensor eingesetzt werden. Die Auswerteschaltung für die Sensorkapazitäten 750, kann eine Vorspannungsquelle 752, einen Operationsverstärker 754 und eine Rückkopplung, beispielsweise in Form eines Rückkoppelwiderstands 756 aufweisen. Die Sensorkapazität 750 kann eingangsseitig mit der Versorgungsspannung 752 und ausgangsseitig mit einem Eingang des Operationsverstärkers 754 verbunden sein.
  • Somit kann die variable Sensorkapazität 750 über die Vorspannung 752 versorgt werden. Eine an der Sensorkapazität 750 abfallende Spannung kann in den ersten Operationsverstärker 754 der Auswerteschaltung gelangen. Der Operationsverstärker 754 kann über den Gegenkoppelwiderstand 756 verfügen.
  • 8 zeigt eine Auswerteschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise zusammen mit einem erfindungsgemäßen Körperschallsensor eingesetzt werden. Im Unterschied zu dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die in 8 gezeigte Auswerteschaltung keinen Rückkoppelwiderstand 756 sondern eine kapazitive Rückkoppelung 758 auf. Somit ist eine kapazitive Beschaltung des Operationsverstärkers 754 möglich. In diesem Fall kann die Arbeitspunkteinstellung des Verstärkers anderweitig erfolgen.
  • Die Aufbau- und Verbindungstechnik und die Montierung eines bis in den MHz-Bereich messenden Beschleunigungs- bzw. Körperschallsensors muss so steif ausgeführt werden, dass die zu messenden hohen Frequenzen mechanisch übertragen werden können, also die Eigenfrequenz der Montierung gleich oder über der höchsten Messfrequenz liegt. Bei den bisher angewendeten Verfahren werden erwartungsgemäß die Grenzen überschritten
  • 9 zeigt eine Tragvorrichtung für einen Körperschallsensor, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Tagvorrichtung weist einen Träger 960 auf, an dem Körperschallsensoren 962, 964 angeordnet werden können. Der Träger 960 kann eine geeignete Oberflächenstruktur aufweisen, die es ermöglicht, die Körperschallsensoren 962, 964 auf dem Träger 960 auszurichten und zu befestigen. Eine Ausrichtung der Körperschallsensoren 962, 964 kann dabei in Bezug auf eine Richtung des zu erfassenden Körperschalls erfolgen. Der Träger 960 kann ferner eine Durchgangsöffnung 966 aufweisen. Mittels der Durchgangsöffnung 966 kann der Träger 960 an einem Körper befestigt werden, der den zu erfassenden Körperschall überträgt. Bei dem Körper kann es sich beispielsweise um ein Karosserieteil eines Fahrzeugs handeln. Somit kann ein von dem Karosserieteil ausgehender Körperschall über den Träger 960 auf die Körperschallsensoren 962, 964 übertragen werden. Dazu kann der Träger 960 entsprechende Abmessungen sowie eine entsprechende Materialbeschaffenheit aufweisen, die es ermöglichen, insbesondere diejenigen Frequenzen, die der zu erfassende Körperschall aufweist, möglichst ungedämpft an die Körperschallsensoren 962, 964 zu übertragen.
  • Gemäß dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das mikromechanische Messelement, beispielsweise ein in den 1 bis 4 gezeigter Körperschallsensor an geeigneter Stelle 962 und/oder 964 auf den Träger 960, z. B. aus Metall, gelötet oder geklebt werden. Der Träger 960 kann wiederum an geeignete Teile der Fahrzeugkarosserie geschraubt werden.
  • Eine alternative Möglichkeit einer hochfrequenten Körperschallsensierung ist der Einsatz eines Klopfsensors. Ein solcher Klopfsensor arbeitet mit piezoelektrischen Messelementen. Bei einem Klopfsensor, der erfindungsgemäß zur hochfrequenten Körperschallsensierung verwendet werden kann, werden die piezoelektrischen Messelementen sowie die Auswerteschaltung und die Befestigung entsprechend an die zu messenden Frequenzen angepasst ausgelegt.
  • Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
  • Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweites Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102004031557 A1 [0003]

Claims (15)

  1. Körperschallsensor, mit folgenden Merkmalen: einer Aufhängeeinrichtung mit einer ersten Aufhängefeder (102), einer zweiten Aufhängefeder (104) und einer Schwingmasse (106), wobei die Schwingmasse zwischen der ersten und der zweiten Aufhängefeder angeordnet ist, und wobei die Aufhängeeinrichtung eine Eigenfrequenz aufweist, die größer als 30 KHz ist; einer Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern (112), die mit der Schwingmasse gekoppelt sind; und einer Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern (114, 116), die von der Schwingmasse entkoppelt sind, wobei die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger ineinandergreifend angeordnet sind.
  2. Körperschallsensor gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Elektrodenfinger (112) jeweils eine Eigenfrequenz aufweisen, die einer Frequenz des zu erfassenden Körperschalls entspricht.
  3. Körperschallsensor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die ersten Elektrodenfinger (112) eine Eigenfrequenz aufweisen, die größer als 100 kHz ist.
  4. Körperschallsensor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Schwingmasse (106) ausgebildet ist, um eine Modenkopplung zwischen den ersten Elektrodenfingern Schwingmasse (112) zu schaffen.
  5. Körperschallsensor, mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern (112), die mit einem Träger (306) gekoppelt sind, wobei die ersten Elektrodenfinger jeweils unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen; und einer Mehrzahl von zweiten Elektrodenfingern (114, 116), die mit dem Träger gekoppelt sind, wobei die zweiten Elektrodenfinger jeweils eine Eigenfrequenz aufweisen, die größer als die unterschiedlichen Eigenfrequenzen der ersten Elektrodenfinger ist, und wobei die ersten Elektrodenfinger und die zweiten Elektrodenfinger ineinandergreifend angeordnet sind.
  6. Körperschallsensor gemäß Anspruch 5, wobei die Mehrzahl von ersten Elektrodenfingern (112) jeweils unterschiedliche Längen und/oder Breiten aufweisen, um die unterschiedlichen Eigenfrequenzen auszubilden.
  7. Körperschallsensor gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die unterschiedlichen Eigenfrequenzen in einem Bereich zwischen 100 kHz und 10 MHz liegen.
  8. Körperschallsensor, mit folgenden Merkmalen: einer Membran (412), die ausgebildet ist, um ansprechend auf den Köperschall eine Formänderung auszuführen; und einer Erfassungseinrichtung (414, 418), die ausgebildet ist, um die Formänderung zu erfassen.
  9. Körperschallsensor gemäß Anspruch 8, bei dem die Membran (412) mindestens eine Durchgangsöffnung (530) aufweist.
  10. Körperschallsensor gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, mit einem Gehäuse (426), das einen Innenraum aufweist, in dem die Membran (412) angeordnet ist, wobei das Gehäuse ausgebildet ist, um den Innenraum druckdicht gegenüber einem Äußeren des Gehäuses abzuschließen.
  11. Körperschallsensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10 bei dem die Erfassungseinrichtung eine Elektrode (414) aufweist, die ausgebildet ist, um eine Gegenelektrode zu der Membran (412) auszubilden.
  12. Körperschallsensor gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die Erfassungseinrichtung ein piezoelektrisches oder piezoresistives Element (418) aufweist, das mit der Membran (412) gekoppelt ist.
  13. Körperschallsensor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche mit einer Auswerteschaltung, die einen Operationsverstärker (754) aufweist, der eingangsseitig mit mindestens einer Elektrode (114, 116, 414) des Körperschallsensors verbunden ist.
  14. Tragvorrichtung für einen Körperschallsensors, mit folgenden Merkmalen: einer ersten Koppeleinrichtung (966), zum Befestigen der Tragvorrichtung an einem, den Körperschall übertragenden Körper; einer zweiten Koppeleinrichtung, zum Befestigen des Körperschallsensors (962, 964) an der Tragvorrichtung; und einem Tragelement (960), das ausgebildet ist, um den Köperschall zwischen der ersten Koppeleinrichtung und der zweiten Koppeleinrichtung zu übertragen.
  15. Verwendung eines Klopfsensors als Körperschallsensor.
DE200910027011 2009-06-18 2009-06-18 Körperschallsensor Ceased DE102009027011A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200910027011 DE102009027011A1 (de) 2009-06-18 2009-06-18 Körperschallsensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200910027011 DE102009027011A1 (de) 2009-06-18 2009-06-18 Körperschallsensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102009027011A1 true DE102009027011A1 (de) 2010-12-23

Family

ID=43123039

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200910027011 Ceased DE102009027011A1 (de) 2009-06-18 2009-06-18 Körperschallsensor

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102009027011A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015218068A1 (de) 2015-09-21 2017-03-23 Robert Bosch Gmbh Bodenkontaktiervorrichtung und Verfahren zum Aussenden eines Signals
WO2021063604A1 (de) 2019-10-02 2021-04-08 Robert Bosch Gmbh Verdichter mit sensor zur erkennung von verdichterpumpen

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004031557A1 (de) 2004-06-29 2006-02-09 Conti Temic Microelectronic Gmbh Verfahren, Vorrichtung und Crash-Sensor zur insassengefährdungsrelevanten Aktivierung von Insassen-Schutzeinrichtungen in einem Kraftfahrzeug bei Crashfällen sowie Kraftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004031557A1 (de) 2004-06-29 2006-02-09 Conti Temic Microelectronic Gmbh Verfahren, Vorrichtung und Crash-Sensor zur insassengefährdungsrelevanten Aktivierung von Insassen-Schutzeinrichtungen in einem Kraftfahrzeug bei Crashfällen sowie Kraftfahrzeug mit einer derartigen Vorrichtung

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015218068A1 (de) 2015-09-21 2017-03-23 Robert Bosch Gmbh Bodenkontaktiervorrichtung und Verfahren zum Aussenden eines Signals
WO2017050487A1 (de) 2015-09-21 2017-03-30 Robert Bosch Gmbh Bodenkontaktiervorrichtung und verfahren zum aussenden eines signals
WO2021063604A1 (de) 2019-10-02 2021-04-08 Robert Bosch Gmbh Verdichter mit sensor zur erkennung von verdichterpumpen

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012200929B4 (de) Mikromechanische Struktur und Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur
DE102010039069B4 (de) Beschleunigungssensor mit einer Dämpfungseinrichtung
DE102008044053B4 (de) Quadraturkompensation für einen Drehratensensor
DE112013006495B4 (de) Trägheitssensor
DE102011083487A1 (de) Beschleunigungssensor und Verfahren zum Betrieb eines Beschleunigungssensors
DE102005031128A1 (de) Winkelgeschwindigkeitsdetektor
DE102008041132A1 (de) Biegewandler zum Erzeugen von elektrischer Energie aus mechanischen Verformungen
EP3136751A1 (de) Mems-lautsprecher mit positionssensor
DE102014207663A1 (de) Optische Abtastvorrichtung
WO2010040582A1 (de) VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG UND/ODER ÜBERWACHUNG EINER PROZESSGRÖßE EINES MEDIUMS
DE102010042438A1 (de) Sensoranordnung
DE10130237B4 (de) Kapazitiver Sensor für dynamische Größen mit Verschiebungsabschnitt, hergestellt durch Drahtbonden
DE102009000729A1 (de) Sensoranordnung
DE102019216437A1 (de) Mikrofon und Herstellungsverfahren dafür
DE10336232A1 (de) Kapazitiver Sensor für dynamische Größen
WO2009056420A2 (de) Mikromechanisches system
DE102008054749A1 (de) Drehratensensor und Verfahren zum Betrieb eines Drehratensensors
DE102009027011A1 (de) Körperschallsensor
DE112006003394T5 (de) Abstimmbare Elektronikbauelemente und Elektronikanordnungen, solche abstimmbaren Bauelemente umfassend
DE102009045420A1 (de) Drehratensensor, Drehratensensoranordnung und Verfahren zum Betrieb eines Drehrtensensors
DE102013222129B3 (de) Kapazitives Sensorelement mit integrierter Mess- und Referenzkapazität
DE102008053072B4 (de) Sensor für ein Rotorblatt oder eine Tragfläche
DE102013204101A1 (de) Energieerzeugungseinrichtung mit freischwingenden piezoelektrischen Biegewandlern
EP3700683B1 (de) Ultraschallwandler mit zumindest einem piezo-elektrischen oszillator
WO2011147430A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur erfassung von schwingungen

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final