DE102017204669A1 - sensor device - Google Patents

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Simon Genter
Fabian Purkl
Benedikt STEIN
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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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 CN 103373538 A ist ein Transport-Überwachungssystem bekannt, bei dem ein Beschleunigungs-, Temperatur- und Feuchtigkeitssensor an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist.From the CN 103373538 A a transport monitoring system is known in which an acceleration, temperature and humidity sensor is connected to an evaluation unit.

Aus der WO 2016/091964 A1 ist ein Feuchtigkeitssensor bestehend aus zwei aneinander angeordneten Schichten bekannt, bei dem eine der Schichten bei Kontakt mit Feuchtigkeit aufquillt. Die beiden Schichten sind dabei derart zueinander angeordnet, dass die zweite Schicht durch das Aufquellen unterbrochen wird. Eine solche Unterbrechung wird elektronisch gemessen und über eine RFID-Verbindung wird die Information übertragen.From the WO 2016/091964 A1 For example, a moisture sensor consisting of two layers arranged next to each other is known, in which one of the layers swells on contact with moisture. The two layers are arranged in such a way to each other that the second layer is interrupted by the swelling. Such an interruption is measured electronically and the information is transmitted via an RFID connection.

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 und 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung,
  • 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung,
  • 7 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung,
  • 8 und 9 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung,
  • 10 und 11 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung,
  • 12 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung.
Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it:
  • 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 and 5 A second embodiment of a sensor device,
  • 6 A third embodiment of a sensor device,
  • 7 A fourth embodiment of a sensor device,
  • 8th and 9 A fifth embodiment of a sensor device,
  • 10 and 11 A sixth embodiment of a sensor device,
  • 12 A seventh embodiment of a sensor device.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der 1 ist eine Sensorvorrichtung 1 dargestellt, bei der ein Sensor 2 an eine Detektionseinrichtung 16 angeschlossen ist. Die Detektionseinrichtung 16 und der Sensor 2 können auch in einem Baustein oder auf einem Substrat integriert sein. Der Sensor 2 weist ein erstes statisches Element 3 und ein zweites, bewegliches Element 4 auf. Das zweite Element 4 bewegt sich abhängig von einer auf den Sensor 2 einwirkenden, zu messenden physikalischen Größe. Über Kontakte 5 kann die Detektionseinrichtung 16 mit einer Auswerteschaltung 7 auf den Sensor 2 und das erste Element 3 und/oder das zweite Element 4 zugreifen.In the 1 is a sensor device 1 shown in which a sensor 2 to a detection device 16 connected. The detection device 16 and the sensor 2 may also be integrated in a package or on a substrate. The sensor 2 has a first static element 3 and a second movable element 4 on. The second element 4 moves depending on one on the sensor 2 acting, physical quantity to be measured. About contacts 5 can the detection device 16 with an evaluation circuit 7 on the sensor 2 and the first element 3 and / or the second element 4 access.

In der ersten Ausführungsform weist die Detektionseinrichtung 16 eine Übertragungseinheit 8 auf, die beispielsweise als eine insbesondere passive RFID-Einheit ausgeführt ist. Von einer Auswerteeinrichtung 10 kann über eine drahtlose Verbindung 11 eine Messwertinformation des Sensors 2 ausgelesen und in einer Ausgabeeinheit 12 der Auswerteeinrichtung 10 dargestellt werden, beispielsweise einer Anzeige. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, alternativ oder ergänzend eine Auswerteeinrichtung 10' über eine Drahtverbindung 13 an die Detektionseinrichtung 16 anzuschließen.In the first embodiment, the detection device 16 a transmission unit 8, which is embodied, for example, as an in particular passive RFID unit. From an evaluation device 10 can be over a wireless connection 11 a measured value information of the sensor 2 read out and in an output unit 12 the evaluation device 10 be displayed, such as a display. In a further embodiment, it is also possible, alternatively or additionally, an evaluation device 10 ' via a wire connection 13 to the detection device 16 to join.

In einer ersten Ausführungsform kann die für den Betrieb der Detektionseinrichtung 16 erforderliche Energie über die Funkverbindung 11 von der Auswerteeinrichtung 10 an die Detektionseinrichtung 16 übertragen werden. Hierbei wird beispielsweise in die Übertragungseinheit 8 eine entsprechende Betriebsspannung induziert. Entsprechend ist es in der weiteren Ausführungsform auch möglich, elektrische Energie über die Drahtverbindung 13 an die Detektionseinrichtung 16 zu übertragen. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, eine Energieversorgungseinheit 14, beispielsweise ein Energiespeicher oder ein Energieharvester, in die Detektionseinrichtung 16 bzw. die Sensorvorrichtung 1 zu integrieren.In a first embodiment, the energy required for the operation of the detection device 16 via the radio link 11 from the evaluation device 10 to the detection device 16 be transmitted. In this case, for example, in the transmission unit 8th induced a corresponding operating voltage. Accordingly, it is also possible in the further embodiment, electrical energy via the wire connection 13 to the detection device 16 transferred to. In a further embodiment, it is also possible to have a power supply unit 14 , For example, an energy storage or an energy harvester, in the detection device 16 and the sensor device 1 to integrate.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor 2 derart ausgeführt, dass er für seinen Messbetrieb selbst keine elektrische Energie benötigt. Aufgrund physikalischer Einflüsse wie beispielsweise Beschleunigung, Temperatur oder Luftfeuchtigkeit findet eine Bewegung des zweiten Elements 4 statt. Überschreitet die zu messende physikalische Größe einen insbesondere durch die Geometrie des zweiten Elements 4 vorgegebene Größe, so kontaktiert das zweite Element 4 das erste Element 3. Das zweite Element 4 ist dabei derart beschaffen, dass auch für den Fall, dass die zu messende physikalische Größe wieder unterhalb des vorgegebenen Grenzwertes absinkt, die Kontaktierung des ersten Elements 3 durch das zweite Element 4 erhalten bleibt.In a preferred embodiment, the sensor 2 designed such that it does not require any electrical energy for its measuring operation itself. Due to physical influences such as acceleration, temperature or humidity, there is a movement of the second element 4 instead of. Exceeds the physical variable to be measured in particular by the geometry of the second element 4 given size, so contacted the second element 4 the first element 3 , The second element 4 is such that, even in the event that the physical variable to be measured falls below the predetermined limit again, the contacting of the first element 3 through the second element 4 preserved.

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 3 und des zweiten Elements 4 durch Ansteuerung einer Rücksetzeinheit 15 wieder rückgängig gemacht wird, beispielsweise durch eine Bestromung eines Rücksetzelements. Damit wird es ermöglicht, den Sensor 2 erneut für eine Messung heranzuziehen. Um ein unbefugtes Zurücksetzen zu verhindern, kann die Funktion für ein Zurücksetzen des Sensors beispielsweise durch ein Passwort geschützt sein. In a particular embodiment, it is also possible that the detection device 16 is designed such that after triggering by the evaluation devices 10, 10 ', the contacting of the first element 3 and the second element 4 by controlling a reset unit 15 is reversed again, for example by energizing a reset element. This will allow the sensor 2 again for a measurement. To prevent unauthorized reset, the function for resetting the sensor may be protected by a password, for example.

Für eine Messung einer Beschleunigung ist das zweite Element 4 beispielsweise als ein insbesondere einseitig aufgehängtes bewegliches Massenelement ausgeführt, beispielsweise ein Biegebalken. Auch eine beidseitige Aufhängung ist möglich. Für eine Detektion einer Temperatur kann das zweite bewegliche Element 4 auch als ein Bimetall-Element ausgeführt sein. Ferner ist es auch möglich, dass ein Bimetall-Element an dem beweglichen Masseelement angeordnet ist. In entsprechender Weise kann auch für die Detektion einer zu erfassenden chemischen Substanz, beispielsweise Wasser, ein entsprechendes Material, dass sich bei Kontakt mit Feuchtigkeit ausdehnt, an dem beweglichen Masseelement angeordnet und mit diesem verbunden sein. Durch eine in Folge eines Vorhandenseins der zu detektierenden chemischen Substanz erfolgten Ausdehnung des angeordneten Elements wird in Folge der Verbindung mit dem beweglichen Masseelement eine Kraft auf das Masseelement ausgeübt, das sich in Folge der Kraftwirkung verbiegt. Durch die geometrische Auslegung einer Größe des Masseelements und gegebenenfalls der an dem Masseelement angeordneten zusätzlichen Elemente kann ein Grenzwert für die zu detektierende physikalische Größe festgelegt werden, da diese Auslegung den Grad der Verbiegung und damit die erforderliche Kraft bestimmt, die erforderlich ist, damit das zweite Element das erste Element erreicht. Diese Kraft ist wiederum abhängig von dem Wert der zu messenden physikalischen Größe.For a measurement of an acceleration is the second element 4 For example, designed as a particular one-sided suspended movable mass element, such as a bending beam. Also a two-sided suspension is possible. For detection of a temperature, the second movable element 4 can also be designed as a bimetallic element. Furthermore, it is also possible that a bimetallic element is arranged on the movable mass element. Correspondingly, for the detection of a chemical substance to be detected, for example water, a corresponding material that expands on contact with moisture can be arranged on the movable mass element and connected to it. As a result of the expansion of the arranged element due to the presence of the chemical substance to be detected, as a result of the connection with the movable mass element, a force is exerted on the mass element which bends as a result of the force action. By geometrically designing a size of the mass element and optionally the additional elements arranged on the mass element, a limit value for the physical quantity to be detected can be determined, since this design determines the degree of bending and thus the required force required for the second Element reaches the first element. This force is in turn dependent on the value of the physical quantity to be measured.

Beabstandet zu dem zweiten Element 4 ist das erste, unbewegliche Element 3 angeordnet. Wenn die von der physikalischen Größe abhängige Verbiegung des zweiten Elements 4 ausreicht, das erste Element 3 zu kontaktieren, so sind das erste und das zweite Element 3, 4 so beschaffen, dass ein solcher Kontakt erhalten bleibt, auch wenn die physikalische Größe wieder unter den vorgegebenen Grenzwert absinkt.Spaced to the second element 4 is the first, immovable element 3 arranged. If the physical size dependent bending of the second element 4 sufficient, the first element 3 to contact, so are the first and the second element 3 . 4 such that such contact is maintained, even if the physical size falls below the predetermined limit again.

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 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung gemäß der 1 dargestellt. Ein Paket 20 befindet sich in einem Transportladeraum. Auf dem Paket 20 ist eine auf einem Träger 22 angeordnete Sensorvorrichtung 21 angebracht. Die Sensorvorrichtung 21 weist einen ersten Sensor 23, einen zweiten Sensor 24, einen dritten Sensor 25 und einen vierten Sensor 26 auf. Die Sensoren 23, 24, 25, 26 sind grundsätzlich gleichartig ausgeführt und entsprechen dem Sensor 2 gemäß der 1. Jeder dieser Sensoren ist dabei jedoch so ausgeführt, dass er auf einen unterschiedlichen physikalischen Grenzwert insbesondere derselben physikalischen Größe anspricht. Somit ist es möglich, vier unterschiedliche Grenzwerte vorzusehen, beispielsweise vier Temperaturen oder vier unterschiedliche Beschleunigungen. Insbesondere ist es bei Beschleunigungen auch möglich, dass jeder Sensor eine Beschleunigung in eine Raumrichtung misst, wobei die Sensoren möglichst so angeordnet sind, dass sie Beschleunigungswerte in allen drei Raumrichtungen messen können. Hierfür sind dann drei Sensoren erforderlich, deren Messrichtungen orthogonal zueinander ausgerichtet sind.In the 2 is an embodiment of a sensor device according to the 1 shown. A package 20 is located in a transport loading room. On the package 20 is one on a carrier 22 arranged sensor device 21 appropriate. The sensor device 21 has a first sensor 23 , a second sensor 24 , a third sensor 25 and a fourth sensor 26 on. The sensors 23, 24, 25, 26 are basically identical and correspond to the sensor 2 according to the 1 , However, each of these sensors is designed so that it responds to a different physical limit, in particular the same physical size. Thus, it is possible to provide four different limit values, for example four temperatures or four different accelerations. In particular, with accelerations, it is also possible for each sensor to measure an acceleration in a spatial direction, the sensors being possibly arranged so that they can measure acceleration values in all three spatial directions. For this purpose, then three sensors are required, the measuring directions are aligned orthogonal to each other.

Die Sensoren 23, 24, 25, 26 sind an eine Detektionseinrichtung 27 angeschlossen, wobei eine Detektionseinrichtung 27 alle Sensoren überwachen kann. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, für jeden Sensor 23, 24, 25, 26 eine eigene Detektionseinrichtung vorzusehen. Das Messergebnis der Detektionseinrichtung 27 ist vorzugsweise drahtlos auslesbar. Bevorzugt übermittelt die Detektionseinrichtung 27 einen Code. Somit ist es auch möglich, mehrere Transportgüter, die im gleichen Laderaum angeordnet sind, mit einer Auswerteeinrichtung zu überwachen, wobei der Messwert anhand des übermittelten Codes eindeutig einem jeweils zu transportieren Transportgut zugeordnet werden kann. Bei der Datenübertragung von der Sensorvorrichtung zu der Auswerteeinrichtung kann zusätzlich zu einer Identifikation des Transportgutes als weitere Information der Sensor mit ausgelesen werden.The sensors 23 . 24 . 25 . 26 are to a detection device 27 connected, wherein a detection device 27 all sensors can monitor. In another embodiment, it is also possible for each sensor 23 . 24 . 25 . 26 to provide a separate detection device. The measurement result of the detection device 27 is preferably wirelessly readable. The detection device preferably transmits 27 a code. Thus, it is also possible to monitor a plurality of transport goods, which are arranged in the same load compartment, with an evaluation device, wherein the measured value can be clearly assigned on the basis of the transmitted code to a respective transported goods to be transported. In the data transmission from the sensor device to the evaluation device, the sensor can be read in addition to an identification of the transported good as further information.

In der 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Sensor dargestellt. Der Sensor ist hierbei bevorzugt in Mikro-Systemtechnik ausgebildet. Parallel zu einem Substrat ist ein biegsamer Arm 31 an einer Substratverankerung 30 angeordnet, der an seiner der Verankerung 30 abgewandten Seite rechtwinklig in einem Rastarm 32 abwinkelt. Die Substratverankerung 30 ist dabei eine Struktur, die auf einem Substrat verankert ist, während der Arm 31 über dem Substrat in einer gewissen Distanz von typischerweise wenigen Mikrometern freisteht.In the 3 a first embodiment of a sensor is shown. The sensor is in this case preferably designed in microsystem technology. Parallel to a substrate is a flexible arm 31 at a substrate anchorage 30 arranged at his anchorage 30 opposite side at right angles in a latching arm 32 angling. The substrate anchoring 30 is a structure that is on a Substrate is anchored while the arm 31 above the substrate at a certain distance of typically a few microns is free.

An dem Ende des Rastarms 32 ist ein Rastelement 33 mit einer Gleitfläche 34 angeordnet, die von dem Arm 31 abweist. Bei einer von dem Arm 31 in Richtung des Rastarms 32 wirkenden Krafteinwirkung beispielsweise in Folge einer Beschleunigung in Pfeilrichtung 35 bewegt sich der Arm 31 in Pfeilrichtung 36 und verbiegt sich gegenüber der Verankerung 30. Hierdurch bewegt sich auch der Rasthaken 33 in Pfeilrichtung 35. Benachbart zu dem so gebildeten zweiten Element ist ein erstes Element 37 angeordnet, bei dem auf einem Träger 38 ein Rasthaken 39 mit einer Gleitfläche 40 angeordnet ist. Bewegt sich nun der Rastarm 32 in Folge einer Beschleunigung auf den Rasthaken 39 zu, so gleitet die erste Gleitfläche 34 auf der zweiten Gleitfläche 40 solange auf, bis der Rasthaken 33 die Spitze des Rasthakens 39 überschreitet und auf einer abgewandten Seite 41 des zweiten Rasthakens 39 einrastet. Auch wenn anschließend keine weitere Beschleunigungskraft mehr auf den Rastarm und damit auf das zweite bewegliche Element 32 wirkt, bleibt das zweite Element 32 in Kontakt zu dem ersten Element 37 in Folge der Verrastung. Zur Detektion eines solchen Kontaktes ist eine Messeinrichtung 42 vorgesehen, beispielsweise für eine Widerstandsmessung oder Spannungsmessung, die das erste Rastelement 39 und das zweite Element kontaktiert, insbesondere den Arm 31. Diese Messeinrichtung 42 ist in der Detektionseinrichtung angeordnet.At the end of the latching arm 32 is a locking element 33 with a sliding surface 34 arranged by the arm 31 rejects. At one of the arm 31 in the direction of the latching arm 32 acting force, for example, as a result of an acceleration in the direction of the arrow 35 the arm moves 31 in the direction of the arrow 36 and bends against anchoring 30 , This also moves the latching hook 33 in the direction of the arrow 35 , Adjacent to the second element thus formed is a first element 37 arranged in which on a support 38 a latching hook 39 with a sliding surface 40 is arranged. Now moves the locking arm 32 as a result of acceleration on the latching hook 39 too, so slides the first sliding surface 34 on the second sliding surface 40 until the locking hook 33, the tip of the latching hook 39 passes and on a side away 41 of the second latching hook 39 locks. Even if then no further acceleration force more on the latching arm and thus on the second movable element 32 acts, the second element remains 32 in contact with the first element 37 as a result of the locking. For detecting such a contact is a measuring device 42 provided, for example, for a resistance measurement or voltage measurement, which contacts the first latching element 39 and the second element, in particular the arm 31 , This measuring device 42 is arranged in the detection device.

In einer alternativen Ausführungsform können auch weitere Rastelement 43, 44 an dem ersten Element 37 mit einem größeren Abstand zu der Ausgangslage des Rastarms 32 an dem ersten Element 37 angeordnet ist. Damit ist es möglich, dass bei einer größeren auf den Rastarm 32 wirkenden Beschleunigung nicht nur der erste, naheliegende Rasthaken 39 sondern gegebenenfalls auch noch weitere Rasthaken von dem ersten Rastelement 33 überstrichen und der Rastarm 32 hinter dem jeweiligen Rastelement festgehalten wird. Bevorzugt ist eine Messeinrichtung 29, 45 gesondert mit jedem Rasthaken verbunden. In einer Ausführungsform ist es möglich, das erste Element 37, das ansonsten statisch angeordnet ist, durch eine Rücksetzeinrichtung 46 in Richtung 47 der Verankerung 30 zu bewegen, so dass die Rastverbindung gelöst wird. Bevorzugt ist eine Feder 48 vorgesehen, die das erste Element 37 in die statische Ausgangslage zurückbringt. Somit ist eine neue Messung mit dem Sensor möglich.In an alternative embodiment, also further locking element 43 . 44 on the first element 37 with a greater distance to the initial position of the locking arm 32 on the first element 37 is arranged. This makes it possible for a larger on the latch arm 32 acting acceleration not only the first, nearby catch hook 39 but optionally also further latch hooks of the first locking element 33 overlined and the locking arm 32 is held behind the respective locking element. Preferred is a measuring device 29 . 45 separately connected to each latching hook. In an embodiment, it is possible to use the first element 37 otherwise statically arranged by a reset means 46 in the direction 47 the anchor 30 to move, so that the locking connection is released. Preferred is a spring 48 provided that the first element 37 returns to the static starting position. Thus, a new measurement with the sensor is possible.

In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, ein gas- oder feuchtigkeitssensitives Material 49 insbesondere an einem dem ersten Element 37 abgewandten Seite des Arms 31 anzubringen. Ist in der Umgebung des Sensors das entsprechende Gas bzw. Feuchtigkeit vorhanden, worauf das sensitive Material 49 anspricht, so dehnt sich das sensitive Material aus.In a further embodiment, it is also possible to use a gas- or moisture-sensitive material 49 in particular on a first element 37 opposite side of the arm 31 to install. Is in the vicinity of the sensor, the corresponding gas or moisture present, whereupon the sensitive material 49 responds, so the sensitive material expands.

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 49 ist insbesondere über eine Klebeverbindung oder als eine Beschichtung bzw. als ein anderweitiger Materialauftrag fest, d.h. kraftschlüssig, mit dem Material des Arms 31 verbunden. Durch die Aufnahme des zu detektierenden Gases bzw. von Feuchtigkeit durch das sensitive Material 49 kommt es dazu, dass sich das sensitive Material 49 ausdehnt. In Folge der Ausdehnung kommt es zu einer Krafteinwirkung auf den Arm 31, auf den das sensitive Material 49 aufgebracht ist. In Folge der Krafteinwirkung verbiegt sich der Arm 31 in die Richtung 35, so dass ein entsprechender Effekt wie bei einer mechanischen Krafteinwirkung auftritt. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, dass das gassensitive Material eine negative Volumenänderung aufweist bzw. diese detektiert werden soll. In diesem Fall ist das gassensitive Material auf der entgegengesetzten Seite des Arms 31 und damit auf der den Rasthaken zuweisenden Seite anzubringen.The sensitive material 49 is in particular fixed via an adhesive bond or as a coating or as an otherwise material application, ie non-positively, with the material of the arm 31 connected. By receiving the gas to be detected or moisture through the sensitive material 49 it happens that the sensitive material 49 expands. As a result of expansion, there is a force on the arm 31 on which the sensitive material 49 is applied. As a result of the action of force, the arm bends 31 in the direction 35 , so that a corresponding effect occurs as with a mechanical force. In a further embodiment, it is also possible for the gas-sensitive material to have a negative volume change or to be detected. In this case, the gas-sensitive material is on the opposite side of the arm 31 and thus to install on the side facing the latch hooks.

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 31 aus dem sensitiven Material selbst ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist jedoch das sensitive Material 49 auf einen freigestellten Biegebalken aus einem anderen Material, z. B. Silizium, aufgebracht, der sich bei einer Längenänderung verbiegt.In a further embodiment, the arm can also 31 be formed from the sensitive material itself. However, the sensitive material 49 is particularly preferably on a free bending beam made of a different material, for. As silicon, applied, which bends at a change in length.

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 4 und 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Sensorvorrichtung dargestellt. In der 4 ist hierbei ein biegbarer Arm 51 an einer Substratverankerung 50 derart angeordnet. In einer Ausführungsform kann an dem Arm 51 optional ein sensitives Material 52 oder eine zusätzliche Massestruktur angeordnet sein. Der Arm 51 bildet dabei das zweite, bewegliche Element des Sensors aus. An einem Ende des Arms 51 ist seitlich zu dem Arm 51 ein statisches Element 53 angeordnet, dass das erste Element darstellt. Über eine Messeinrichtung 54 ist der Arm 51 mit dem statischen Element 53 elektrisch verbunden. In der Ausgangslage ist ein Abstand 55 zwischen dem statischen Element 53 und dem Arm 51 vorgesehen. Kommt es nun in Folge einer Ausdehnung des sensitiven Materials 52 bei der Ausführungsform als ein Gassensor, bei einer Anordnung eines Bimetallmaterials auf dem Arm 51 anstelle des sensitiven Materials 52 (in der 4 nicht gezeigt) oder in Folge einer Einwirkung einer Beschleunigung auf den Arm 51 dazu, dass der Arm 51 eine Bewegung auf das statische Element 53 vornimmt und dass der Arm 51 das statische Element 53 erreicht, so wird eine Kontaktverbindung zwischen dem Arm 51 und dem statischen Element 53 dargestellt, wie sie in der 5 gezeigt ist. In Folge einer Beschleunigung in Pfeilrichtung 56 oder in Folge einer Ausdehnung des sensitiven Materials 52 in Pfeilrichtung 57 ist der Abstand 55 zwischen dem ersten Element 53 und dem Arm 51 verschwunden.In the 4 and 5 a second embodiment of a sensor device is shown. In the 4 Here is a bendable arm 51 at a substrate anchorage 50 arranged in such a way. In one embodiment, on the arm 51 optionally a sensitive material 52 or an additional ground structure. The arm 51 At the same time it forms the second, movable element of the sensor. At one end of the arm 51 is laterally to the arm 51 a static element 53 arranged that represents the first element. About a measuring device 54 is the arm 51 with the static element 53 electrically connected. In the starting position is a distance 55 between the static element 53 and the arm 51 intended. Is it due to an expansion of the sensitive material? 52 in the embodiment as a gas sensor, in an arrangement of a bimetallic material on the arm 51 instead of the sensitive material 52 (in the 4 not shown) or due to an effect of an acceleration on the arm 51 to that arm 51 a movement on the static element 53 does and that the arm 51 the static element 53 achieved, so a contact connection between the arm 51 and the static element 53 represented as they are in the 5 is shown. As a result of an acceleration in the direction of the arrow 56 or as a result of an expansion of the sensitive material 52 in the direction of the arrow 57 is the distance 55 between the first element 53 and the arm 51 disappeared.

In einer ersten Ausführungsform ist eine Kontaktfläche 58 dabei derart ausgeführt, dass auf wenigstens einer Seite der Kontaktfläche, also auf dem Arm 51 und/oder dem ersten Element 53 ein Klebstoff angeordnet ist, so dass eine Klebeverbindung geschaffen wird. In einer weiteren Ausführungsform kann der Arm 51 auch derartig geformt sein, dass der Arm 51 als eine bistabile Feder ausgeführt ist. Bei einer hinreichenden Krafteinwirkung auf den Arm 51 schlägt dann der Zustand der bistabilen Feder bei einer Überschreitung des zu detektierenden physikalischen Schwellwertes in eine zweite Position um, bei der dann ein Ende des Arms 51 mit der nunmehr resultierenden Federkraft in dem umgeschlagenen zweiten Zustand auf das erste Element 53 drückt. In einer weiteren Ausführungsform ist auch eine elektrostatische Darstellung eines Kontakts möglich. Ausführungsbeispiele hierzu werden anhand der 8 ff. im Detail erläutert.In a first embodiment, a contact surface 58 thereby executed such that on at least one side of the contact surface, ie on the arm 51 and / or the first element 53 an adhesive is disposed so that an adhesive bond is provided. In a further embodiment, the arm 51 may also be shaped such that the arm 51 is designed as a bistable spring. With a sufficient force on the arm 51 Then, the state of the bistable spring in case of exceeding the physical threshold to be detected in a second position, in which then one end of the arm 51 with the now resulting spring force in the folded second state on the first element 53 suppressed. In a further embodiment, an electrostatic representation of a contact is also possible. Exemplary embodiments of this will be described with reference to FIG 8th ff. explained in detail.

In der 6 ist eine weitere Ausführungsform für eine Sensorvorrichtung dargestellt. Hierbei ist ein beweglicher Arm 61 in einem Abstand 62 über einem Substrat 60 angeordnet. Der Abstand 62 ist dabei bevorzugt an einer Seite des Arms 61, der auch als flache Platte ausgeführt sein kann, durch ein isolierendes Material 63 gewährleistet. Der Arm 61 kann gegenüber dem Substrat 60 in einer Bewegungsrichtung 64 parallel zu dem Abstand 62 frei schwingen, so dass eine einwirkende Beschleunigung zu einer Bewegung führt. In entsprechender Weise gemäß dem Ausführungsbeispiel anhand der 4 und 5 kann eine Kontaktierung des Arms 61 auf dem Substrat 60 festgehalten werden, wenn der Kontakt einmal zustande gekommen ist. Eine Detektion, beispielsweise über ein Absinken des elektrischen Widerstands zwischen dem Arm 61 und dem Substrat 60, kann über eine Messeinrichtung 65 detektiert werden. In einer alternativen Ausführungsform kann insbesondere auf einer der dem Substrat 60 abgewandten Seite entsprechend ein gassensitives Material 66 angeordnet sein, das mit dem Arm 61 verbunden ist und das zu einem Verbiegen des Arms in Richtung des Substrats 60 bei Ausdehnung führt, die infolge einer Aufnahme einer chemischen Substanz erfolgt und die durch die Pfeilrichtung 67 angedeutet ist.In the 6 a further embodiment for a sensor device is shown. Here is a movable arm 61 at a distance 62 arranged above a substrate 60. The distance 62 is preferably on one side of the arm 61, which may also be designed as a flat plate, ensured by an insulating material 63. The arm 61 can be opposite the substrate 60 in a direction of movement 64 parallel to the distance 62 swing freely, so that an acting acceleration leads to a movement. In a corresponding manner according to the embodiment with reference to FIG 4 and 5 can be a contacting of the arm 61 on the substrate 60 be held once the contact has been made. A detection, for example, about a decrease in the electrical resistance between the arm 61 and the substrate 60 , can have a measuring device 65 be detected. In an alternative embodiment, in particular on one of the substrate 60 opposite side corresponding to a gas-sensitive material 66 be arranged with the arm 61 is connected and that to a bending of the arm in the direction of the substrate 60 on expansion, which occurs as a result of absorption of a chemical substance and the direction of the arrow 67 is indicated.

Eine alternative Ausführungsform hierzu ist in 7 dargestellt. Über einem Substrat 70 ist eine Membran 71 angeordnet, die seitlich über ein insbesondere isolierendes Material 72 von dem Substrat 70 beabstandet ist, so dass sich zwischen dem Substrat 70 und der Membran 71 ein Hohlraum 73 ausbildet. Zum Druckausgleich sind in einer Ausführungsform Löcher 74 in der Membran 71 vorgesehen, durch die Gas aus dem Hohlraum 73 austreten bzw. in diesen eintreten kann. Die Membran 71 kann dabei über dem Substrat 70 schwingen, wobei bei einem Kontakt der Membran 71 entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß der 4 und 5 ein Kontakt der Membran 71 durch die dort beschriebenen Maßnahmen an dem Substrat 70 erhalten bleibt. In Entsprechender Weise kann auch in dieser Ausführungsform ergänzend ein sensitives Material 75 auf der dem Substrat angewandten Seite der Membran 71 angeordnet sein. Eine Messeinrichtung 76 ist mit der Membran 71 und dem Substrat 70 verbunden, so dass eine Kontaktierung zwischen dem Substrat 70 und der Membran 71 innerhalb des Hohlraums 73 festgestellt werden kann, die mit einer Herstellung einer elektrischen Leitfähigkeit bzw. einer Kapazitätsänderung verbunden ist.An alternative embodiment of this is in 7 shown. Over a substrate 70 is a membrane 71 arranged laterally over a particular insulating material 72 from the substrate 70 is spaced so that is between the substrate 70 and the membrane 71 a cavity 73 formed. For pressure equalization holes are in one embodiment 74 in the membrane 71 provided, through the gas from the cavity 73 escape or can enter into it. The membrane 71 can be above the substrate 70 swing, wherein at a contact of the membrane 71 according to the embodiment according to the 4 and 5 a contact of the membrane 71 by the measures described there on the substrate 70 preserved. Correspondingly, a sensitive material may additionally be used in this embodiment as well 75 on the side of the membrane applied to the substrate 71 be arranged. A measuring device 76 is with the membrane 71 and the substrate 70 connected, leaving a contact between the substrate 70 and the membrane 71 within the cavity 73 can be found, which is connected to a production of an electrical conductivity or a capacitance change.

In der 8 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem ein Beibehalten eines Kontakts zwischen einem ersten statischen Element 80 und einem zweiten beweglichen Element 81 elektrostatisch erfolgt. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das bewegliche Element 81 über eine Feder 82 an einem Substrat 83 angeordnet. Das bewegliche Element 81 kann sich in Folge einer auf das Element 81 wirkenden Beschleunigungskraft bewegen und die Feder 82 dehnen. In einer ersten Ausführungsform ist eine Spannungsquelle 84 vorgesehen, die eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Element 80 und dem beweglichen Element 81 bewirkt. Durch die Feder 82 wird jedoch das bewegliche Element 81 von dem statischen Element 80 abgehalten. Durch eine Beschleunigung kann jedoch die Feder 82 so ausgelenkt werden, dass das bewegliche Element 81 das statische Element 80 erreicht. Bevorzugt ist eine isolierende Schicht an wenigstens einem der Elemente angeordnet. Damit kommt es in Folge der induzierten Spannung zu einer elektrostatischen Anziehung zwischen den beiden Elementen 80, 81. Eine Änderung der elektrischen Kapazität bzw. des elektrischen Widerstandes kann über eine Messeinrichtung 85 festgestellt werden. Eine entsprechende Darstellung eines Kontaktes ist in der 9 gezeigt. In der Ausgangslage gemäß der 8 ist die Kraft der Feder 82 größer als die induzierte elektrostatische Kraft, so dass eine Überwindung des Abstands zwischen den Elementen 80, 81 durch die elektrostatische Kraft nicht erfolgen kann. Erst bei einer auftretenden Beschleunigung, die zu einer Annäherung des beweglichen Elements 81 in das statische Element 80 führt, kann die elektrostatische Kraft die Federkraft überwinden. Bei einem Kontakt der Elemente 80, 81 ist auf Grund der nunmehr geringen Entfernung die elektrostatische Kraft jedoch größer als die Federkraft, so dass auch nach Wegfall der wirkenden Beschleunigung die Elemente 80, 81 in Kontakt bleiben.In the 8th an embodiment is shown in which maintaining a contact between a first static element 80 and a second movable element 81 done electrostatically. In the embodiment shown here, the movable element 81 over a spring 82 on a substrate 83 arranged. The moving element 81 can result in a on the element 81 acting acceleration force and move the spring 82 stretch. In a first embodiment is a voltage source 84 provided, which is an electrical voltage between the first element 80 and the movable element 81 causes. By the spring 82 but becomes the moving element 81 stopped by the static element 80. However, an acceleration can cause the spring 82 be deflected so that the moving element 81 the static element 80 reached. Preferably, an insulating layer is arranged on at least one of the elements. This results in an electrostatic attraction between the two elements as a result of the induced voltage 80 . 81 , A change in the electrical capacitance or the electrical resistance can be determined by a measuring device 85. A corresponding representation of a contact is in the 9 shown. In the starting position according to the 8th is the power of the spring 82 greater than the induced electrostatic force, thus overcoming the distance between the elements 80 . 81 can not be done by the electrostatic force. Only at an occurring acceleration, which leads to an approximation of the movable element 81 into the static element 80 leads, the electrostatic force can overcome the spring force. At a contact of the elements 80 . 81 However, due to the now short distance the electrostatic force is greater than the spring force, so that even after elimination of the acting acceleration, the elements 80 . 81 keep in touch.

In einer alternativen Ausführungsform kann statt einer Spannungsquelle 84 insbesondere an dem beweglichen Element 81 eine elektrisch geladene Elektretschicht 86 vorgesehen sein. In diesem Fall ist keine externe Spannungsquelle erforderlich. Die Elektretschicht 86 wird hierbei auf der insbesondere mikromechanischen Struktur dargestellt, also auf dem beweglichen Element 81, kann aber optional auch auf dem statischen Element 80 angeordnet sein. Die in der Elektretschicht 86 gespeicherten Ladungsträger induzieren Gegenladungen auf der jeweiligen Gegenelektrode, wodurch eine elektrostatische Kraft resultiert. In einer weiteren Ausführungsform können auch Elektretschichten mit unterschiedlichen Polaritäten auf beiden Elementen 80, 81 angeordnet sein.In an alternative embodiment, instead of a voltage source 84 in particular on the movable element 81 an electrically charged electret layer 86 be provided. In this case, no external power source is required. The electret layer 86 is in this case represented on the in particular micromechanical structure, that is to say on the movable element 81 but can optionally also be on the static element 80 be arranged. The in the electret layer 86 stored charge carriers induce countercharges on the respective counterelectrode, which results in an electrostatic force. In a further embodiment, electret layers with different polarities can also be used on both elements 80 . 81 be arranged.

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 8 und der 9 wird die zu messende Beschleunigung durch die Federkonstante der Feder 82 bestimmt. Im Falle des Kontakts gemäß der 9 kann die Messeinrichtung 85 im Vergleich zum beabstandeten Zustand gemäß der 8 einen kleineren elektrischen Widerstand zwischen den Elementen 80, 81 feststellen.In the embodiment according to the 8th and the 9 is the acceleration to be measured by the spring constant of the spring 82 certainly. In case of contact according to 9 can the measuring device 85 compared to the spaced state according to 8th a smaller electrical resistance between the elements 80 . 81 determine.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den 10 und 11 in zwei Zuständen dargestellt. Ein biegsamer Arm 91 ist an einem Substrat 90 angeordnet. An einem dem Substrat 90 abgewandten Ende des Arms 91 ist ein Massenbereich 92 vorgesehen. An einer Seitenfläche des Arms 91 in dem Massenbereich 92 ist ein Elektretbereich 93 angeordnet. Dieser weist mit einer Unterseite 94 einem statischen Element 95 zu, das auf einem Substrat 96 angeordnet ist. Ein Teil des Arms 91 ist ebenfalls in einem flächigen Bereich 99 bis auf die Unterseite 94 hindurchgeführt. In dem Flächenbereich 99 ist eine Überhöhung an dem Arm 91 vorgesehen, die leitfähig ausgebildet ist. Der Arm weist eine Dicke 97 auf, die eine Beweglichkeit des Massenbereichs 92 bei einer einwirkenden Beschleunigung bestimmt. In einer weiteren Ausführungsform kann auch entsprechend der 4 ein sensitives Material entsprechend den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen auf einer insbesondere dem statischen Element 95 abgewandten Seite des Arms 91 angeordnet sein.Another embodiment is in the 10 and 11 shown in two states. A flexible arm 91 is on a substrate 90 arranged. At an end of the arm facing away from the substrate 90 91 is a mass area 92 intended. On a side surface of the arm 91 in the mass area 92 is an electret area 93 arranged. This one has a bottom 94 a static element 95 to, that on a substrate 96 is arranged. Part of the arm 91 is also in a flat area 99 down to the bottom 94 passed. In the area area 99 is an elevation on the arm 91 provided, which is formed conductive. The arm has a thickness 97 on that a mobility of the mass range 92 determined at an acting acceleration. In a further embodiment can also according to the 4 a sensitive material according to the previously explained embodiments on a particular static element 95 opposite side of the arm 91 be arranged.

Kommt es nun zu einer Krafteinwirkung auf den Arm 91 beispielsweise über eine wirkende Beschleunigung, so kontaktiert der Arm 91 das statische Element 95. Bei einer ausreichenden Kraftwirkung in Pfeilrichtung 98 kommt es damit zu einem Kontakt der Unterseite 94 mit dem statischen Element 95. Die Elektretschicht 93 sorgt dafür, dass auch nach Wegfall der wirkenden Beschleunigung die Unterseite 94 das statische Element 95 kontaktiert. Indem der Arm 91 nunmehr unmittelbar in dem Flächenbereich 99 der Unterseite 94 das statische Element 95 kontaktiert, kann eine leitende Verbindung an dem Elektretbereich 93 vorbei zwischen dem Arm 91 und dem statischen Element 95 dargestellt werden. Hierdurch ist eine Detektion einer Widerstandsänderung mit einer Messeinrichtung 100 auf einfache Weise möglich.Does it come to a force on the arm 91 For example, via an acting acceleration, so contacted the arm 91 the static element 95 , For a sufficient force in the direction of the arrow 98 it comes to a contact of the bottom 94 with the static element 95 , The electret 93 ensures that even after eliminating the effect of acceleration, the bottom 94 contacted the static element 95. By the arm 91 now directly in the area 99 the bottom 94 the static element 95 contacted, may be a conductive connection to the electret area 93 over between the arm 91 and the static element 95 being represented. As a result, a detection of a change in resistance with a measuring device 100 in a simple way possible.

Werden verschiedene Sensoren mit unterschiedlichen Dicken 97 des Arms 91 nebeneinander angeordnet, sind verschiedene Grenzwerte für eine wirkende Beschleunigung mit dem Sensor detektierbar.Be different sensors with different thicknesses 97 of the arm 91 arranged side by side, different limits for an acting acceleration are detectable with the sensor.

In der 12 ist eine weitere Ausführungsform einer Sensorvorrichtung dargestellt. Eine mikromechanisches Massenelement 101 ist über Stege 102, 103 jeweils an einem Substrat 104, 105 gehalten. In den Steg 102 ist ein piezoresesitves Element 106 vorteilhaft eingebracht, dass über einen elektrischen Kontakt 107 auslesbar ist. An dem Massenelement 101 ist eine Elektrodenschicht 108 vorgesehen, wobei auf die Elektrode 108 auf der dem Massenelement 101 abgewandten Seite eine Elektretschicht 109 aufgebracht ist. Die Elektretschicht 109 liegt gegenüber einem Substrat 110. Bei einer wirkenden Beschleunigung in Pfeilrichtung 111 des Massenelements 101 in Richtung des Substrats 110 bleibt bei einer Kontaktierung auf Grund der induzierten Gegenladung der Elektretschicht 109 das bewegliche Massenelement 101 mit der Elektretschicht an dem Substrat 110 haften. Dies führt zu einer Verbiegung des Stegs 102 und damit zu einer Verbiegung des piezoresistiven Elements 106. In Folge der Verbiegung ändert sich der Widerstand des piezoresistiven Elements 106. Diese Verbiegung kann über die Elektrode 107 gemessen werden. In einer weiteren Ausführungsform ist auch in dem Steg 103 ein piezoresistives Element 112 vorteilhaft vorgesehen, dass in gleicher Weise ausgelesen wird und mit dem eine redundante Auswertung möglich ist.In the 12 a further embodiment of a sensor device is shown. A micromechanical mass element 101 is over jetties 102 . 103 each on a substrate 104 . 105 held. In the jetty 102 is a piezoresesitves element 106 advantageously introduced that via an electrical contact 107 is readable. On the mass element 101 is an electrode layer 108 provided, wherein on the electrode 108 on the mass element 101 opposite side an electret layer 109 is applied. The electret layer 109 lies opposite a substrate 110. For an acting acceleration in the direction of the arrow 111 of the mass element 101 in the direction of the substrate 110 remains at a contact due to the induced counter charge of the electret layer 109 the movable mass element 101 with the electret layer on the substrate 110 be liable. This leads to a bending of the web 102 and thus to a bending of the piezoresistive element 106. As a result of the bending, the resistance of the piezoresistive element 106 changes. This bending can occur via the electrode 107 be measured. In a further embodiment is also in the bridge 103 a piezoresistive element 112 advantageously provided that is read in the same way and with a redundant evaluation is possible.

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 101 angeordnet sein. Somit bildet sich zwischen den p/p+ dotierten Bereichen 113, 113' ein Kanalbereich 114 aus. Die p/p+ dotierten Bereiche sind disjunkt und über eine Messeinrichtung 115 miteinander verbunden. Über dem Kanalbereich 114 befindet sich die mikromechanische Struktur mit einer negativ geladenen Elektretschicht 109. Befindet sich die Elektretschicht 109 vor einem Schockereignis, also vor einer einwirkenden Beschleunigung, in einem Abstand zu dem Kanalbereich 114, so werden nur wenige Ladungsträger in den Kanalbereich 114 induziert. Dieser weist somit einen hohen elektrischen Widerstand zwischen den p/p+ dotierten Bereichen 113, 113' auf. Nach einem Auftreten einer einen vorgegebenen Grenzwert überschreitenden Beschleunigung und des damit erfolgten Kontaktierens der Elektretschicht 109 mit dem Substrat 110 haftet die mikromechanische Struktur mit der geladenen Elektretschicht 109 auf dem Kanalbereich 114. Dadurch werden deutlich mehr Gegenladungen in den Kanalbereich 114 induziert, wodurch der Kanalbereich 114 leitfähig wird und zwischen den beiden p/p+ dotierten Bereichen 113, 113' ein kleinerer elektrischer Widerstand durch die Messeinrichtung 115 festgestellt werden kann.For example, in an alternative or additional embodiment, the substrate may also be embodied as an n-doped silicon substrate into which p / p + dopants 113, 113 'in an environment of a contact region of the mass element 101 be arranged. Thus, it forms between the p / p + doped regions 113 . 113 ' a channel area 114 out. The p / p + doped regions are disjoint and connected to one another via a measuring device 115. Above the canal area 114 is the micromechanical structure with a negatively charged electret layer 109 , Is the electret layer located 109 before a shock event, ie before an acting acceleration, at a distance to the channel area 114 , so only a few charge carriers in the channel area 114 induced. This thus has a high electrical resistance between the p / p + doped regions 113 . 113 ' on. After an occurrence of a predetermined limit exceeding acceleration and thus made contacting the electret layer 109 with the substrate 110, the micromechanical structure adheres to the charged electret layer 109 on the canal area 114 , As a result, significantly more countercharges are induced in the channel region 114, as a result of which the channel region 114 becomes conductive and between the two p / p + doped regions 113 . 113 ' a smaller electrical resistance through the measuring device 115 can be determined.

In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, auch bei der Anordnung gemäß der 10 und 11 einen piezoresestiven Widerstand insbesondere in den Arm 91 einzubringen, dessen Widerstand detektiert werden kann.In a further embodiment, it is possible, even in the arrangement according to the 10 and 11 a piezoresistive resistance especially in the arm 91 bring in whose resistance can be detected.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • WO 2016/091964 A1 [0002]WO 2016/091964 A1 [0002]

Claims (10)

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.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 a movement of the second element (4) from one is 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), the 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) for determining the contact of the second with the first element (4, 3) is provided. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Element (4) derart ausgeführt ist, dass es sich in Folge einer auf das zweite Element (4) wirkenden Beschleunigung oder auf das Vorhandensein einer chemischen Substanz hin abhängig von einer Größe der Beschleunigung bzw. einer Konzentration der chemischen Substanz hin verbiegt.Sensor device after Claim 1 , characterized in that the second element (4) is designed such that, as a result of an acceleration acting on the second element (4) or the presence of a chemical substance, it depends on a magnitude of the acceleration or a concentration of the chemical Bend substance. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Berühren des ersten Elements (3) durch das zweite Element (4) eine mechanische und/oder elektrostatische Verbindung zur dauerhaften Anordnung des zweiten Elements (4) an dem ersten Element (3) erfolgt.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that upon touching the first element (3) by the second element (4) a mechanical and / or electrostatic connection for the permanent arrangement of the second element (4) on the first element (3) he follows. Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Element (31, 37) durch eine einrastende Hakenverbindung (33, 39) erfolgt.Sensor device after Claim 3 , characterized in that a mechanical connection between the first and the second element (31, 37) by a latching hook connection (33, 39) takes place. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Verbindung zwischen dem zweiten Element (51) und dem ersten Element (53) dadurch erfolgt, dass das zweite Element (51) als eine bistabile Feder derart ausgeführt ist, dass bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes der physikalischen Größe die bistabile Feder derart umschlägt, dass eine Federkraft auf das erste Element (53) ausgeübt wird.Sensor device according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that a mechanical connection between the second element (51) and the first element (53) takes place in that the second element (51) is designed as a bistable spring such that when exceeding a predetermined threshold value of the physical quantity the bistable spring turns over such that a spring force is exerted on the first element (53). Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten und/oder dem zweiten Element (80, 81) eine Elektretschicht (86) angeordnet ist.Sensor device according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that on the first and / or the second element (80, 81) an electret layer (86) is arranged. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) ein Teil eines Schwingkreises ist, und dass die Detektionseinrichtung (16) eingerichtet ist, eine Veränderung des Zustands des Sensors (2) über eine Veränderung einer Resonanzfrequenz des Schwingkreises auszulesen.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (2) is part of a resonant circuit, and that the detection device (16) is adapted to read a change in the state of the sensor (2) via a change in a resonant frequency of the resonant circuit. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal der Sensoreinrichtung über eine RFID Einheit übertragbar ist.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that an output signal of the sensor device via an RFID unit is transferable. Sensorsystem mit einer Mehrzahl von Sensoreinrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Sensoreinrichtungen unterschiedliche Sensoren derart aufweisen, dass die vorgegebenen Werte der physikalischen Größe für ein Berühren des ersten Elements durch das zweite Element unterschiedlich ausgebildet sind.Sensor system having a plurality of sensor devices according to one of the preceding claims, characterized in that at least two of the sensor devices have different sensors such that the predetermined values of the physical quantity for contacting the first element are formed differently by the second element. Messverfahren für einen Sensor mit einem erstes statischen Element (3) und einem von dem ersten statischen Element (3) in einer Ausgangslage beabstandeten zweiten beweglichen Element (4), wobei eine Bewegung des zweiten Elements (4) von einer zu erfassenden physikalischen Größer derart abhängt, dass das zweite Element (4) bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Wertes der zu erfassenden physikalischen Größe das erste Element (3) kontaktiert, wobei das zweite Element (4) das erste Element (3) kontaktierend bleibt, wenn die zu erfassende physikalische Größe wieder unter den vorgegebenen Wert abfällt, wobei eine Detektionseinrichtung (16) den Kontakt des zweiten mit dem ersten Element erfasst.Measuring method for a sensor having a first static element (3) and a second movable element (4) spaced from the first static element (3) in a starting position, wherein a movement of the second element (4) depends on a physical quantity to be detected in that the second element (4) contacts the first element (3) when a predetermined value of the physical quantity to be detected is exceeded, the second element (4) remaining in contact with the first element (3) when the physical variable to be detected returns falls below the predetermined value, wherein a detection device (16) detects the contact of the second with the first element.
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