DE102017204669A1 - sensor device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung (1) mit einem Sensor (2) umfassend ein erstes statisches Element (3) und ein von dem ersten statischen Element (3) in einer Ausgangslage beabstandetes zweites bewegliches Element (4), wobei eine Bewegung des zweiten Elements (4) von einer zu erfassenden physikalischen Größer derart abhängt, dass das zweite Element (4) so beschaffen ist, dass bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Wertes der zu erfassenden physikalischen Größe das zweite Element (4) das erste Element (3) kontaktiert, wobei das zweite Element (4) so beschaffen ist, dass das zweite Element (4) das erste Element (3) auch dann noch kontaktiert, wenn die zu erfassende physikalische Größe wieder unter den vorgegebenen Wert abfällt, wobei eine Detektionseinrichtung (16) zur Feststellung des Kontakts des zweiten mit dem ersten Element (4, 3) vorgesehen ist.The invention relates to a sensor device (1) having a sensor (2) comprising a first static element (3) and a second movable element (4) spaced from the first static element (3) in a starting position, wherein movement of the second element ( 4) depends on a physical quantity to be detected such that the second element (4) is such that when a predetermined value of the physical quantity to be detected is exceeded, the second element (4) contacts the first element (3) second element (4) is such that the second element (4) still contacts the first element (3) even if the physical quantity to be detected falls below the predetermined value again, wherein a detection device (16) detects the contact of the second with the first element (4, 3) is provided.
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass eine zerstörungsfreie und doch dauerhafte Feststellung eines zu detektierenden Zustandes ermöglicht wird. Somit ist es gegebenenfalls auch möglich, den Kontakt durch weitere Mittel zu lösen und den Sensor erneut einzusetzen. Ferner ist eine Kontaktierung zweier Elemente sowohl besonders leicht als auch sehr zuverlässig feststellbar. Insbesondere kann die Kontaktierung von einer möglichst eng definierten Messgrenze abhängen, so dass genauer festgestellt werden kann, ob ein Grenzwert überschritten wurde oder nicht. Außerdem kann auf eine dauerhafte Energieversorgung verzichtet werden, wenn der Sensor selbst eine auf Dauer angelegte Kontaktierung beider Elemente ermöglicht. Zusätzliche Energie, die beispielsweise für eine plastische Verformung aufzuwenden wäre, wird nicht benötigt. Somit ist eine zuverlässige und genau arbeitende Sensorvorrichtung möglich.The sensor device according to the invention with the features of the independent claim has the advantage that a non-destructive and yet permanent determination of a state to be detected is made possible. Thus, it may also be possible to release the contact by further means and reuse the sensor. Furthermore, a contacting of two elements is both particularly easy and very reliable detectable. In particular, the contacting can depend on the narrowest possible measuring limit, so that it can be determined more accurately whether a limit value has been exceeded or not. In addition, can be dispensed with a permanent power supply, if the sensor itself allows a permanent contact of both elements. Additional energy, which would be used, for example, for a plastic deformation, is not needed. Thus, a reliable and accurate sensor device is possible.
Das zweite bewegliche Element ist dabei derart ausgelegt, dass eine Kontaktierung des ersten Elements, die dann dauerhaft erfolgt, nur dann erreicht wird, wenn ein Grenzwert für eine vorgegebene zu überwachende physikalische Größe überschritten wird. Eine Einhaltung einer zu überwachenden Obergrenze für eine einwirkende Beschleunigung, beispielsweise zur Feststellung, ob ein starker Stoß vorgelegen hat, kann damit sicher erfasst werden. Gleiches gilt auch für ein Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur oder beispielsweise für ein Überschreiten einer Höchstgrenze für eine Feuchtigkeit.The second movable element is designed such that a contacting of the first element, which then takes place permanently, is only achieved when a limit value is exceeded for a predetermined physical quantity to be monitored. Compliance with a monitored upper limit for an acting acceleration, for example, to determine whether a strong impact has occurred, can thus be reliably detected. The same applies to exceeding a predetermined temperature or, for example, for exceeding a maximum limit for a moisture.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Weiterbildungen. So ist es vorteilhaft, dass das zweite, bewegliche Element sich in Folge einer auf das zweite Element wirkenden Beschleunigung oder auf das Vorhandensein einer chemischen Substanz hin verbiegt. Damit wird insbesondere eine mikromechanische Realisierung des Sensors ermöglicht, wobei durch eine Auslegung des zweiten Elements eine Abhängigkeit der Verbiegung von dem äußeren Einfluss eingestellt werden kann. Wird nämlich das zweite, bewegliche Element dünner ausgeführt, so führt im Vergleich zu einem dicker ausgelegten zweiten beweglichen Element der gleiche äußere Einfluss zu einer stärkeren Verbiegung. Ferner ist es auch möglich, mit einem Sensor sowohl eine Beschleunigung, als auch ein Vorhandensein einer chemischen Substanz festzustellen.Further advantages result from the developments specified in the dependent claims. Thus, it is advantageous that the second, movable element bends due to an acceleration acting on the second element or to the presence of a chemical substance. In particular, a micromechanical realization of the sensor is thus made possible, wherein a dependence of the bending on the external influence can be set by a design of the second element. Namely, when the second movable member is made thinner, the same external influence results in more bending as compared with a thicker second movable member. Furthermore, it is also possible to determine with a sensor both an acceleration and the presence of a chemical substance.
Eine besonders dauerhafte und sichere Verbindung des ersten statischen und des zweiten beweglichen Elements wird dann erreicht, wenn bei einer Kontaktierung des ersten Elements durch das bewegliche zweite Element eine mechanische oder elektrostatische Verbindung zwischen den beiden Elementen geschaffen wird. Diese Verbindung bleibt dann auch bestehen, wenn diejenige physikalische Größe, die für ein Bewegen des zweiten, beweglichen Elementes verantwortlich war, nicht mehr besteht. Hierdurch wird es ermöglicht, einen Kontakt des ersten und des zweiten Elements auch zu einem späteren Zeitpunkt noch feststellen zu können. Eine sichere mechanische Verbindung wird dabei entweder durch eine einrastende Hakenverbindung oder durch eine umschlagende bistabile Feder ermöglicht.A particularly durable and secure connection of the first static and the second movable element is achieved when a mechanical or electrostatic connection between the two elements is created upon contact of the first element by the movable second element. This connection also remains if the physical quantity responsible for moving the second moving element no longer exists. This makes it possible to still be able to determine a contact of the first and the second element at a later time. A secure mechanical connection is made possible either by a latching hook connection or by a reversing bistable spring.
Für den Fall, dass eine elektrostatische Verbindung dargestellt wird, ist vorteilhaft an dem ersten und/oder dem zweiten Element eine Elektretschicht angeordnet. Eine solche Elektretschicht induziert nach Erfolgen einer geeigneten Lademethode der Elektretschicht in die gegenüberliegende Schicht eine elektrische Gegenladung, die dazu beiträgt, dass sich beide Elemente elektrostatisch anziehen. Führt eine Bewegung des zweiten beweglichen Elements dazu, dass das zweite Element das erste Element kontaktiert, so kommt es in Folge der geladenen Elektretschicht dazu, dass beide Elemente elektrostatisch aneinander anhaften. Bei entsprechender Auslegung und Größe der Elektretschicht und der hierdurch hervorgerufenen elektrostatischen Anziehung wird es damit ermöglicht, dass eine möglicherweise durch eine Änderung der zu messenden physikalischen Größe einsetzende Kraft, die zu einer Rückbewegung und Entfernung des zweiten Elements führen würde, durch die entstehende elektrostatische Kraft überkompensiert wird. Hierdurch bleibt das zweite Element an dem ersten Element angeordnet. Eine zusätzliche elektrische Spannungsversorgung für eine Bereitstellung einer elektrostatischen Kraft ist dabei nicht erforderlich, sondern diese elektrostatische Kraft wird durch die elektrisch geladene Elektretschicht bereitgestellt.In the event that an electrostatic connection is shown, an electret layer is advantageously arranged on the first and / or the second element. Such an electret layer induces, after successful charging of the electret layer in the opposite layer, an electrical counter charge, which contributes to the electrostatic attraction of both elements. If a movement of the second movable element causes the second element to contact the first element, as a result of the charged electret layer, both elements adhere electrostatically to one another. With an appropriate design and size of the electret layer and the resulting electrostatic attraction, it is thus possible that a force which would possibly result from a change in the physical quantity to be measured, which would lead to a return movement and removal of the second element, being overcompensated by the resulting electrostatic force becomes. As a result, the second element remains arranged on the first element. An additional electrical power supply for providing an electrostatic force is not required, but this electrostatic force is provided by the electrically charged electret layer.
Eine besonders einfache Detektion einer Veränderung einer Kontaktierung des ersten mit dem zweiten Element kann durch ein Einbeziehen einer Kontaktierung des ersten und/oder des zweiten Elements in einem Schwingkreis dargestellt werden, um beispielsweise eine Widerstandsänderung oder eine kapazitive Änderung bezüglich des ersten und des zweiten Elements festzustellen. Ein solcher Schwingkreis ist wiederum besonders einfach durch eine RFID-Einheit auszulesen, mit der ein Messergebnis an eine externe Ausgabeeinheit übertragen werden kann. Ein Vorteil einer RFID-Ausgestaltung ist es, dass durch eine passive Ausgestaltung des RFID-Elements keine Energieversorgung an der Sensorvorrichtung erforderlich ist. Zudem kann über die RFID-Einheit auch auf einfache Weise eine Kodierung einer Sensorvorrichtung und damit eine Identifikation erfolgen, welcher Sensor die entsprechenden Messdaten bereitgestellt hat. A particularly simple detection of a change in a contacting of the first and the second element can be represented by incorporating a contacting of the first and / or the second element in a resonant circuit, for example, to detect a change in resistance or a capacitive change with respect to the first and the second element , Such a resonant circuit is in turn particularly easy to read by an RFID unit with which a measurement result can be transmitted to an external output unit. An advantage of an RFID configuration is that no power supply to the sensor device is required by a passive embodiment of the RFID element. In addition, a coding of a sensor device and thus an identification can be carried out via the RFID unit in a simple manner, which sensor has provided the corresponding measurement data.
Weiterhin ist vorteilhaft ein Sensorsystem vorgesehen, dass mehrere Sensoreinrichtungen aufweist, wobei die Sensoreinrichtungen jeweils auf einen Schwellwert für eine zu detektierende Größe ausgerichtet sind, dieser Schwellwert aber für jede der Sensoreinrichtungen in dem Sensorsystem unterschiedlich ist. Durch ein solches Sensorsystem kann die Überschreitung verschiedener Schwellwerte festgestellt werden.Furthermore, a sensor system is advantageously provided which has a plurality of sensor devices, the sensor devices each being aligned with a threshold value for a variable to be detected, but this threshold value is different for each of the sensor devices in the sensor system. By such a sensor system, the exceeding of various thresholds can be determined.
Entsprechende Vorteile ergeben sich für ein erfindungsgemäßes Messverfahren.Corresponding advantages arise for a measuring method according to the invention.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen schematischen Aufbau einer Sensorvorrichtung, -
2 eine Verwendung einer Sensorvorrichtung zur Überwachung eines Transportgutes, -
3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung, -
4 und5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung, -
6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung, -
7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung, -
8 und9 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung, -
10 und11 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung, -
12 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung.
-
1 a schematic structure of a sensor device, -
2 a use of a sensor device for monitoring a transported good, -
3 A first embodiment of a sensor device, -
4 and5 A second embodiment of a sensor device, -
6 A third embodiment of a sensor device, -
7 A fourth embodiment of a sensor device, -
8th and9 A fifth embodiment of a sensor device, -
10 and11 A sixth embodiment of a sensor device, -
12 A seventh embodiment of a sensor device.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der
In der ersten Ausführungsform weist die Detektionseinrichtung
In einer ersten Ausführungsform kann die für den Betrieb der Detektionseinrichtung 16 erforderliche Energie über die Funkverbindung
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor
In einer besonderen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Detektionseinrichtung 16 derart ausgelegt ist, dass nach Auslösung durch die Auswerteeinrichtungen 10, 10' die Kontaktierung des ersten Elements
Für eine Messung einer Beschleunigung ist das zweite Element
Beabstandet zu dem zweiten Element
In einer anderen Ausführungsform ist es auch möglich, ein Absinken einer physikalischen Größe unter einen entsprechenden Grenzwert festzustellen. In diesem Fall bleibt die Kontaktierung auch dann erhalten, wenn der Grenzwert wieder über die vorgegebene Grenze ansteigt.In another embodiment, it is also possible to detect a decrease in a physical quantity below a corresponding limit. In this case, the contact is retained even if the limit rises again above the predetermined limit.
Der Sensor ist z. B. mittels Waferbonden verkappt. Bei einer Ausführung als Gassensor ist ein Medienzugang für einen Austausch von Gasen mit einer umgebenden Atmosphäre vorgesehen.The sensor is z. B. capped by Waferbonden. In an embodiment as a gas sensor, a media access is provided for an exchange of gases with a surrounding atmosphere.
In der
Die Sensoren
In der
An dem Ende des Rastarms
In einer alternativen Ausführungsform können auch weitere Rastelement
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, ein gas- oder feuchtigkeitssensitives Material
Für einen Einsatz zu einer Überwachung der Luftfeuchtigkeit werden beispielsweise Polymere, wie z. B. Polyimide verwendet, bei denen eine Volumenänderung, nämlich ein Anschwellen, durch eine Einlagerung von Wasser stattfindet. Alternativ hierzu können auch Silikone wie PDMS verwendet werden, die auch eine Volumenänderung als eine Funktion der Luftfeuchte aufweisen. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich Al2O3 zu verwenden, wobei ein feuchtigkeitsabhängiger Phasenübergang von alpha- Al2O3 zu gamma- Al2O3 ausgenutzt werden kann.For use in monitoring the humidity, for example, polymers such. B. polyimides used in which a change in volume, namely a swelling, takes place by an incorporation of water. Alternatively, silicones such as PDMS may also be used, which also have a volume change as a function of air humidity. In another embodiment, it is also possible to use Al 2 O 3 , wherein a moisture-dependent phase transition of alpha-Al 2 O 3 to gamma-Al 2 O 3 can be exploited.
Das sensitive Material
in einer besonderen Ausführungsform auch möglich, einen mechanischen Sensor und einen sensitiven Gas- bzw. Feuchtigkeitssensor in einem Sensor auszuführen. Zwar kann in diesem Fall durch eine Auslesung des Sensors nicht festgestellt werden, ob ein Grenzwert für die Feuchtigkeit bzw. die Beschleunigung überschritten wurde, jedoch ist mindestens einer der beiden Grenzwerte überschritten worden. Damit kann beispielsweise eine schädliche Einwirkung auf ein zu transportierendes Gut festgestellt werden.in a particular embodiment also possible to carry out a mechanical sensor and a sensitive gas or moisture sensor in a sensor. Although it can not be determined in this case by reading the sensor, whether a limit value for the moisture or the acceleration has been exceeded, but at least one of the two limits has been exceeded. Thus, for example, a harmful effect on a good to be transported can be determined.
In einer weiteren Ausführungsform kann auch der Arm
In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, um Fehler durch Quersensitivitäten eines Feuchte- bzw. Gassensors zu anderen Messgrößen wie beispielsweise Temperatur oder Beschleunigung zu vermeiden, einen Gas- bzw. Feuchtigkeitssensor mit einem Temperatur und/oder einem Beschleunigungssensor zu kombinieren, also jeweils Sensoren, bei denen kein sensitives Material zur Aufnahme von dem zu detektierenden Gas bzw. der Feuchtigkeit angeordnet ist. Für einen Beschleunigungssensor kann statt des auf Gas oder Feuchte sensitiven Materials auch eine größere Struktur aus einem Material wie Silizium angebracht werden, das als Masse dient und somit zu einer höheren Sensitivität gegenüber Beschleunigung führt. Auch der Temperatur- bzw. Beschleunigungssensor kann vorteilhafterweise als Schwellwertsensor ausgeführt sein. Löst der Temperatur- bzw. der Beschleunigungssensor nicht aus, jedoch der Feuchte- bzw. Gassensor, so kann auf eine Überschreitung des Grenzwertes für Feuchte bzw. das zu detektierende Gas geschlossen werden. Haben alle Sensoren ausgelöst, so kann auch ein sehr starker Stoß dazu geführt haben, dass der Feuchte- bzw. Gassensor ausgelöst hat.In a further embodiment, it is also possible to avoid errors due to transverse sensitivities of a humidity or gas sensor to other measured variables such as temperature or acceleration, a gas or moisture sensor be combined with a temperature and / or an acceleration sensor, that is, in each case sensors in which no sensitive material for receiving the gas to be detected or the moisture is arranged. For an acceleration sensor, instead of the material sensitive to gas or moisture, a larger structure made of a material such as silicon can be applied, which serves as a mass and thus leads to a higher sensitivity to acceleration. The temperature or acceleration sensor can also be advantageously designed as a threshold value sensor. If the temperature or the acceleration sensor does not trigger, but the humidity or gas sensor, it can be concluded that the limit value for moisture or the gas to be detected is exceeded. If all sensors have triggered, then a very strong impact may have caused the humidity or gas sensor to trigger.
In den
In einer ersten Ausführungsform ist eine Kontaktfläche
In der
Eine alternative Ausführungsform hierzu ist in
In der
In einer alternativen Ausführungsform kann statt einer Spannungsquelle
Elektrete sind in der Lage, elektrische Ladungsträger langzeitstabil zu speichern. Diese gespeicherte Ladungsträgerdichte resultiert als Oberflächenpotential, welches von wenigen Volt bis zu einigen hundert Volt reichen kann. Eine Elektretschicht kann beispielsweise durch eine Korona-Entladung oder durch eine Ladung mittels einer Kombination aus Röntgenstrahlen und dem Anlegen eines elektrischen Potentials geladen werden. Die Elektretschicht kann in einem Substrat Gegenladungen erzeugen, wodurch eine attraktive, elektrostatische Kraft entsteht. Eine Darstellung einer Elektretschicht kann beispielsweise durch eine Abscheidung von Cytop® erzeugt werden, das mit einer Schichtdicke von wenigen 100 nm bis einigen um aufgeschleudert wird. Eine Strukturierung erfolgt beispielsweise mittels Fotolitografie und reaktiven lonenätzen. Alternativ kann auch zum Beispiel Parylene-C verwendet werden. Durch einen Abscheideprozess aus der Gasphase können auch vertikale Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen mit Schichtdicken von wenigen nm bis über 20 um beschichtet werden.Electrets are able to store electrical charge carriers with long-term stability. This stored carrier density results in a surface potential which can range from a few volts to a few hundred volts. An electret layer may be charged, for example, by a corona discharge or by a charge by means of a combination of X-rays and the application of an electrical potential. The electret layer can generate counter charges in a substrate, creating an attractive, electrostatic force. A representation of an electret layer can be produced, for example, by deposition of Cytop®, which is spin-coated with a layer thickness of a few 100 nm to a few μm. Structuring takes place for example by means of photolithography and reactive ion etching. Alternatively, for example, parylene-C can be used. By a deposition process from the gas phase and vertical structures with high aspect ratios can be coated with layer thicknesses of a few nm to over 20 microns.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den
Kommt es nun zu einer Krafteinwirkung auf den Arm
Werden verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen Dicken
In der
In einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform kann das Substrat beispielsweise auch als ein n-dotiertes Siliziumsubstrat ausgeführt sein, in das p/p+ Dotierungen 113, 113' in einer Umgebung eines Kontaktbereichs des Massenelements
In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, auch bei der Anordnung gemäß der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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