DE102017204670A1

DE102017204670A1 - Sensoreinrichtung und Überwachungsverfahren

Info

Publication number: DE102017204670A1
Application number: DE102017204670.8A
Authority: DE
Inventors: Fabian Purkl; Daniel PANTEL; Christoph Schelling; Andreas Schatz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-09-27
Also published as: WO2018172037A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung (1) mit einer Sensoreinheit (2) zum Bereitstellen einer definierten Spannung bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts einer physikalischen Größe, mit einer Speichereinrichtung (3) mit einem veränderlichen elektrischen Widerstand, wobei der Widerstand durch die von der Sensoreinheit (2) abgegebene definierte Spannung in vorgegebener Weise veränderbar ist, und mit einer Ausleseeinrichtung (5) zum Ermöglichen eines Auslesens eines Status der Speichereinrichtung (3).

Description

Stand der Technik
Aus der CN 103373538 A ist bereits ein Überwachungssystem für zu transportierende Güter bekannt. Das Überwachungssystem weist ein Kontrollmodul, ein Überwachungsmodul, ein Datenübertragungsmodul, eine Speichereinheit und optional eine Alarmeinheit und eine Ortungseinheit auf. In die Überwachungseinheit sind ein Temperatur-, Feuchtigkeits-, Winkel- und Beschleunigungssensor integriert. Das Auswertemodul wertet die Ergebnisse der verschiedenen Sensoren aus und speichert die Informationen nichtflüchtig in der Speichereinheit, einem nicht flüchtigen ferroelektrischen Speicherchip. Zur Spannungsversorgung ist eine 1000 mAh Lithiumbatterie vorgesehen.
Aus der WO 2007/094948 A1 ist ein piezoelektrischer Biegebalken bekannt, der bei Auslenkung mittels eines piezoelektrischen Effekts eine elektrische Spannung erzeugt, die für eine Stromversorgung verwendet werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Es ist eine Sensoreinrichtung mit einer Sensoreinheit zum Bereitstellen einer definierten Spannung bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts einer physikalischen Größe, mit einer Speichereinrichtung mit einem veränderlichen elektrischen Widerstand vorgesehen, wobei der Widerstand durch die von der Sensoreinheit abgegebene definierte Spannung in vorgegebener Weise veränderbar ist und wobei die Sensoreinrichtung eine Ausleseeinrichtung zum Ermöglichen eines Auslesens eines Status der Speichereinrichtung aufweist.
Die Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass ein Sensor durch einen Einfluss einer physikalischen Größe bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes durch den Einfluss der physikalischen Größe eine elektrische Spannung erzeugt, die detektiert werden kann. Hierbei wird vorteilhafterweise die hierbei erzeugte elektrische Spannung dazu verwendet, einen elektrischen Widerstand einer Speichereinrichtung zu verändern, um anschließend ein Auslesen eines veränderten Status der Speichereinrichtung abhängig von einem zuvor erfolgten Überschreiten des vorgegebenen Schwellwerts der physikalischen Größe zu ermöglichen. Damit kann auf eine zusätzliche Energieversorgung für die Durchführung des Messvorgangs verzichtet werden, da die elektrische Energie zum Verändern des Status der Speichereinheit aus der Messung selbst gewonnen wird. Durch die Speicherung des Ergebnisses der Messung ist es im Anschluss möglich, zu einem geeigneten Zeitpunkt den Status der Speichereinrichtung auszulesen. Für die Speicherung ist ebenfalls keine weitere, gesonderte externe Energiezufuhr erforderlich. Hierbei kann insbesondere davon profitiert werden, dass zu diesem Zeitpunkt für ein Auslesen des Status der Speichereinrichtung gegebenenfalls dann auch eine zusätzliche Energieversorgung zur Verfügung steht. Durch die Speicherung wird es auch ermöglicht, dass auch ein einmaliges Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes während einer langen Überwachungsdauer sicher detektiert werden kann, ohne dass für die gesamte Messdauer eine Energieversorgung bereitgestellt werden muss. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Status eines zu transportierenden Gutes für eine Transport- oder Lagerdauer überwacht werden soll, insbesondere da eine Auswertung auch zeitversetzt und damit lange nach Auftreten der Überschreitung des vorgegebenen Schwellwerts erfolgen kann. Durch die Speicherung mittels einer Veränderung eines elektrischen Widerstandes ist zudem eine besonders einfache elektronische Auswertung einer Veränderung des Speicherzustands möglich.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Weiterbildungen. So ist es vorteilhaft, dass die Sensoreinheit wenigstens einen Beschleunigungssensor aufweist. Hierdurch kann eine während des Messzeitraums auftretende Überschreitung eines vorgegebenen Beschleunigungswertes festgestellt werden. Somit kann beispielsweise festgestellt werden, dass die Sensoreinrichtung und damit diejenige Einrichtung, an der die Sensoreinrichtung angeordnet ist, über ein vorgegebenes Maß hinaus zu Boden gefallen ist. Somit kann eine Stoßbelastung der Sensoreinrichtung und damit eine Stoßbelastung einer Einrichtung, an der die Sensoreinrichtung angeordnet ist, festgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoreinheit wenigstens drei Beschleunigungssensoren auf, die jeweils in einer Raumrichtung eine Beschleunigung erfassen. Die drei Raumrichtungen sind hierbei vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet, so dass eine Beschleunigung in jede Raumrichtung gemessen werden kann. Damit ist eine sichere Detektion eines Stoßes über ein vorgegebenes Maß hinaus in jede Raumrichtung messbar.
Weiterhin ist es vorteilhaft, einen Gleichrichter jeweils parallel zu dem oder den Beschleunigungssensoren zu schalten. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich elektrische Spannungen kompensieren können, die sich beispielsweise durch eine Beschleunigung in entgegengesetzte Richtungen ergeben, z.B. durch das Zurückschwingen des Biegebalkens über den Nullpunkt hinaus.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den oder die Beschleunigungssensoren als Biegesensoren auszuführen, insbesondere als piezoelektrische Biegesensoren. Einerseits ermöglicht die Verwendung von piezoelektrischen Materialien eine Ausführung in Mikrosystembauweise, so dass die Sensoreinrichtung sehr klein dargestellt werden kann. Weiterhin führt eine Druckeinwirkung bzw. ein durch eine Erschütterung bzw. Beschleunigung hervorgerufene Stauchung oder Dehnung des piezoelektrischen Materials auf einfache Weise zu einer hinreichenden Spannungserzeugung, die unmittelbar für die Veränderung des elektrischen Widerstands der Speichereinrichtung verwendet werden kann. Durch die Anwendung des piezoelektrischen Effektes wird keine zusätzliche Stromversorgung des Sensors benötigt. Die für die Messung erforderlichen Ladungsträger werden durch die Beschleunigung erzeugt und müssen nur noch gespeichert werden. Somit ist eine Darstellung eines energieautarken Schocksensors möglich.
Weiterhin ist es vorteilhaft, als Speichereinheit elektrische Halbleiterbauteile zu verwenden, wobei die durch die Sensoreinheit erzeugte elektrische Spannung bzw. Ladungsmenge zur Veränderung des elektrischen Widerstands des Halbleiterelements verwendet werden kann. Hierdurch wird es ermöglicht, das verhältnismäßig kleine Ladungsmengen dazu ausreichen, den elektrischen Widerstand eines derartigen Halbleiterbauelements wie beispielsweise eines FeFET messbar zu verändern. Ferner kann vorteilhaft auch ein Leiterelement verwendet werden, das bei einer definierten Stromstärke zerstört wird, ähnlich einer Sicherung. Hierdurch wird sichergestellt, dass nach der Zerstörung des Leiterelements auf sichere Weise eine Veränderung des Zustands detektiert werden kann.
Eine besonders einfache Auslesbarkeit wird dadurch erreicht, dass die Speichereinrichtung ein Teil eines Schwingkreises ist. Durch eine Veränderung des elektrischen Widerstandes wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestehend aus einem Kondensator und dem veränderlichen Widerstand verändert. Die Änderung der Resonanzfrequenz kann auf einfache Weise detektiert werden.
Vorteilhaft ist die Speichereinheit direkt oder als Teil des Schwingkreises mit einer RFID-Einheit verbunden, so dass ein Auslesen des Schwingkreises und eine vorzugsweise kodierte Datenübertragung durch einen insbesondere passiven RFID-Übertrager erfolgen können. Hiermit wird es ermöglicht, auch beabstandet zu einer Sensoreinrichtung eine externe Ausleseeinheit zum Auslesen des Speicherzustands anzubringen. Ferner wird es auch ermöglicht, dass mehrere Sensoreinrichtungen in einem Raum, beispielsweise in einem Container oder in einem Fahrzeug nahezu gleichzeitig ausgelesen werden können.
Entsprechende Vorteile ergeben sich für ein erfindungsgemäßes Überwachungsverfahren.
Vorteilhaft wird bei dem Auslesen zur Feststellung der veränderten Resonanzfrequenz eine Wechselspannung induziert, um die Resonanzfrequenz zu bestimmen.
Bei der Verwendung eines FeFET, ReRAM oder eines Memristors kann zudem eine Wiederverwendung der Sensoreinrichtung ermöglicht werden. Entweder wird der aktuelle Widerstandswert im Anschluss als neuer Ausgangswert definiert. Oder es kann durch einen geeigneten elektromagnetischen Puls z. B. durch eine Induktion einer ausreichenden Spannung bzw. eines von außen angelegten Stroms der Widerstand auf einen Ausgangszustand zurückgesetzt werden. Bei der Verwendung eines EEPROMS ist es auch möglich, einen Sensorstatus durch UV-Strahlung zurückzusetzen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen

1 ein System mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung und einer externen Auswerteeinrichtung im Detail,
2 eine Verwendung mehrere erfindungsgemäßer Sensoreinrichtungen für die Überwachung von zu transportierenden Gütern,
3 ein Ausführungsbeispiel für einen piezoelektrischen Biege-Beschleunigungssensor in einer ersten Ansicht,
4 eine Darstellung des Biegesensors aus 3 in einer Schnittdarstellung,
5 und 6 ein Beispiel für eine Darstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Beschleunigungssensors,
7 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine elektrische Verschaltung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
8 ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel für eine Verschaltung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
9 ein Ausführungsbeispiel für einen Gleichrichter,
10 ein Ausführungsbeispiel für eine Speichereinrichtung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
11 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Überwachungsverfahren.

Ausführungsformen der Erfindung
In der 1 ist eine Sensoreinrichtung 1 dargestellt, die eine Sensoreinheit 2 aufweist. Die Sensoreinrichtung 1 kann in einem Raum unbeweglich angeordnet sein. Insbesondere ist aber eine Verwendung einer Sensoreinrichtung 1 vorteilhaft, die auf einem beweglichen Gut, zum Beispiel einem Paket, angeordnet ist. Ferner ist es auch möglich, die Sensoreinrichtung 1 verdeckt innerhalb des Pakets anzuordnen. Durch die Anordnung an einem beweglichen Gut ist es möglich, Zustände des beweglichen Gutes insbesondere während eines Transportvorgangs des beweglichen Gutes zu überwachen.
Die Sensoreinheit 2 ist dafür ausgelegt, eine physikalische Größe zu messen und insbesondere bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes eine Spannung zu erzeugen, die von einer Speichereinrichtung 3 in der Weise erfasst wird, dass ein elektrischer Widerstand der Speichereinrichtung 3 verändert wird. Die Sensoreinheit 2 ist dabei in einer bevorzugten Weise als ein Beschleunigungssensor ausgeführt, wobei eine elektrische Spannung erzeugt wird, deren Betrag mit der Größe einer einwirkenden Beschleunigung zunimmt. Hierzu ist die Sensoreinheit insbesondere ein piezoelektrisches Element aufweisend ausgeführt. Durch die Beschleunigung kommt es zu einer Stauchung oder Dehnung des piezoelektrischen Elements, so dass eine durch die Stauchung oder Dehnung erzeugte elektrische Spannung abgegriffen und zu der Speichereinrichtung 3 geführt werden kann. In weiteren Ausführungen ist es aber auch möglich, dass die Sensoreinheit 2 als ein chemischer Sensor ausgeführt wird, der eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von Vorhandensein einer zu detektierenden chemischen Substanz abgibt, z. B. in Abhängigkeit von einem Vorhandensein von Wasser bzw. Feuchtigkeit. Ferner ist es auch möglich, die Sensoreinheit 2 als ein thermoelektrisches Element auszuführen, das bei einer erfassten Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung abgibt.
In den folgenden Ausführungsbeispielen ist die Erfindung am Beispiel eines Beschleunigungssensors ausgeführt. Fällt ein Gegenstand aus einer Höhe von beispielsweise 1 Meter auf einen harten Untergrund, so führt dies zu einer erheblichen, auf den Gegenstand einwirkenden Beschleunigung, einen sogenannten Schock. Dieser erhöhte Beschleunigungswert kann mittels eines Beschleunigungssensors sicher detektiert werden, so dass bei Überschreiten eines vorgegebenen Beschleunigungswertes, der einen Fall aus einer vorgegebenen Höhe auf einen harten Untergrund, z. B. Beton, entspricht, z. B. 30 cm, festgestellt werden kann. Befindet sich in einem durch die Sensoreinrichtung 1 überwachten Paket beispielsweise ein sensitiver Gegenstand, der durch einen entsprechenden Schock möglicherweise in seiner Funktionsweise beeinträchtigt wird, kann durch die Sensoreinrichtung eine solche Schockeinwirkung festgestellt werden. Abhängig von der erfassten Beschleunigungswirkung liegt dann eine Spannung an der Speichereinrichtung 3 ein. Die Speichereinrichtung 3 ist derart ausgeführt, dass durch die Spannung und durch die in Folge der Spannung übertragenen Ladungsträger es zu einer Widerstandsänderung der Speicheinrichtung 3 kommt. In einer ersten Ausführungsform ist die Speicheinrichtung 3 hierzu als ein Halbleiterelement ausgeführt. Das Halbleiterelement kann beispielsweise als ein Resistive Random Access Memory (ReRAM), ein ferroelektrischer Feldeffekttransistor (FeFET), ein Memristor, ein EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory), ein MRAM (Magnetoresistive random-access memory) oder ein Flashspeicher ausgeführt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Speicheinrichtung 3 auch einen sehr dünn ausgeführten Leiterbereich aufweisen, der in Folge des Spannungspulses bei einer ausreichenden Beschleunigung einen derartigen Strom erfährt, dass er sich erhitzt und in Folge der Erhitzung durch Verdampfen des Leitermaterials unterbrochen wird. Das zerstörbare Leiterelement ist dabei entsprechend einer elektrischen Sicherung ausgeführt. Auch ist ein Durchbruch eines ursprünglich nicht elektrisch leitfähigen Dielektrikums möglich, das sehr dünn zwischen zwei Elektroden ausgelegt ist. Bei Überschreitung einer bestimmten Spannung, der Durchbruchsspannung, bei einer ausreichenden Beschleunigung wird ein elektrisch leitender Pfad durch das Dielektrikum dauerhaft erzeugt.
In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Speicheinrichtung 3 zusammen mit einem Kondensator 4 Teil eines Schwingkreises 5. Durch die Widerstandsänderung ändert sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 5. Im Fall eines unterbrochenen Leiterelements als Teil der Speicheinrichtung 3 ist es in einer in der 1 nicht gezeigten Ausführungsform auch möglich, einen weiteren, insbesondere hochohmigen Widerstand parallel zu der Speicheinrichtung 3 zu schalten, so dass die Funktionsweise eines Schwingkreises weiterhin ermöglicht wird. Ein Auslesen des Schwingkreises erfolgt mittels einer Ausleseeinheit 6, die eine Leiterschleife 7 aufweist, die in die Nähe eines Leiterschleifenbereichs 8 gebracht wird, der Teil des Schwingkreises ist. Eine Ausleseeinheit 9 stellt die Resonanzfrequenz fest und vergleicht die gemessene Resonanzfrequenz mit einer in einer Speichereinheit 11 abgelegten Resonanzfrequenz der Ausleseeinheit. Abhängig von der gemessenen Resonanzfrequenz wird entweder festgestellt, dass ein vorgegebener Schwellwert nicht überschritten wurde oder dass ein vorgegebener Schwellwert überschritten wurde. In einer weiteren Ausführungsform können auch mehrere Schwellwerte vorgegeben werden.
In einer ersten Ausführungsform kann über eine Funkschnittstelle 10 das Messergebnis an eine externe Einheit, die in der 1 nicht dargestellt ist, übertragen werden. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, das Messergebnis an eine Ausgabeeinheit 12 zu übertragen, wobei das Messergebnis in einer Anzeige 13 dargestellt wird. Über eine Eingabeeinheit 14 ist es möglich, verschiedene Messungen zu steuern. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, dass über die Eingabeeinheit 14 die Ausleseeinheit 9 dazu angesteuert wird, ein starkes Spannungssignal zu induzieren, das einen elektrischen Widerstand der Speicheinrichtung 3 zurücksetzt, so dass die Sensoreinrichtung 1 für eine neue Messung verwendet werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Sensoreinrichtung 1 eine RFID-Einheit 15 aufweist, die insbesondere passiv betrieben wird. In diesem Fall ist die Ausleseeinheit 9 derart ausgeführt, dass ein Auswertesignal ausgestrahlt wird, das die RFID-Einheit 15 zu einer Abfrage der Speicheinrichtung 3 oder des Schwingkreises 5 anregt. Eine Änderung der des Widerstands der Speichereinheit bzw. der Resonanzfrequenz des Schwingkreises 5 wird in diesem Fall durch die RFID-Einheit 15 festgestellt und kann dann von der RFID-Einheit 15 an die Ausleseeinheit 9 übertragen werden.
In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem mehrere Güter 21, 22 beispielsweise in einem Lagerraum oder Ladevolumen angeordnet sind. Das erste Gut 21 weist eine an dem ersten Gut 21 angeordnete Sensoreinrichtung 23 auf. Das zweite Gut 22 weist eine an dem zweiten Gut 22 angeordnete zweite Sensoreinrichtung 24 auf. Eine Ausleseeinheit 25 ist dazu vorgesehen insbesondere durch ein Abfragen verschiedener RFID-Einheiten ein Messergebnis auszulesen. Die erste und die zweite Sensoreinrichtung 23, 24 sind gemäß der zweiten Ausführungsform mit einer RFID-Einheit 15 gemäß der 1 ausgeführt. Durch die Ausleseeinheit 25 ist es damit möglich, die mehreren Güter, die innerhalb des Ladevolumens angeordnet sind, nahezu zeitgleich zu überwachen und entsprechende Sensorinformationen über den Zustand der Güter auszulesen, insbesondere hinsichtlich einer Schockeinwirkung auf die Güter.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Beschleunigungssensor in Mikrosystemtechnik oder als Bulk ausgeführt werden. Bei der Ausführung in Mikrosystemtechnik ist das piezoelektrische Element in Dünnschichtform ausgeführt. Bei einer geeigneten Wahl des Piezoelektrikums kann dieses sowohl als piezoelektrisches Element für die Sensoreinheit einerseits, aber auch als Speicherschicht verwendet werden, z. B. bei der Verwendung ferroelektrischer Materialien, wie beispielsweise PZT oder BFO. Damit kann die Speichereinheit und die Sensoreinheit auf einem Wafer bzw. einem Chip angeordnet werden.
In der 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Sensoreinheit zum Messen einer mechanischen Beschleunigung dargestellt. Ein Balken 30 aus einem piezoelektrischen Material ist an einem Substrat 31 angeordnet. Als piezoelektrisches Material kann beispielsweise Bleizirkontitanat (PZT; PbZr_x, Ti₁-_xO₃), KNN (K_xNa_1-xNbO₃), NBT (Na_xBi_1-xTiO₃), AlN, Sc_xAl_1-xN, PMN-PT (1-x[Pb(Mg_yNb_1-y)O₃]-x[PbTiO₃]) oder BFO (BiFeO₃) verwendet werden. Das PZT-Material ist hierbei bevorzugt, da die piezoelektrischen Eigenschaften besonders ausgeprägt vorhanden sind und somit hinreichend hohe Spannungen leicht erzeugt werden können. An dem dem Substrat abgewandten Ende des piezoelektrischen Balkens 30 ist ein Masseelement 32, beispielsweise aus einem Siliziummaterial, angeordnet.
In der 4 ist ein Schnitt durch den Balken 30 entlang der gestrichelten Linie 33 in der 3 dargestellt. Auf einer ersten Seite des Balkens 30 sind eine erste Elektrode 41 und eine zweite Elektrode 42 angeordnet. Auf einer der ersten Seite 40 gegenüberliegenden zweiten Seite 39 sind eine dritte Elektrode 43 und eine vierte Elektrode 44 angeordnet. Bei einer Auslenkung der Masse 32 beispielsweise bei einer Aufsicht auf die 3 nach rechts in einer Richtung 34 kommt es zu einer Stauchung der zweiten Elektrode 42 und zu einer Dehnung der ersten Elektrode 41. In entsprechender Weise werden auch die auf der zweiten Seite 39 angeordneten Elektroden 43 und 44 gestaucht bzw. gedehnt. Die sich durch den entgegengesetzten Piezoeffekt durch Stauchung und Dehnung ergebene Spannungsdifferenz kann abgegriffen und als Messsignal für eine Beschleunigung zu einer Speichereinrichtung geführt werden.
Anstelle eines Biegebalkens können auch andere schwingende Systeme realisiert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch die Erfindung am Beispiel eines Biegebalkens dargestellt.
In den 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Darstellung eines mikromechanischen Beschleunigungssensors mit einem Piezomaterial dargestellt. Zunächst wird eine Substratstruktur 50 gemäß der 5 erzeugt. Unterhalb einer oberen Elektrodenschicht 51 wird eine piezoelektrische Schicht 52 aus einem piezoelektrischen Material, beispielsweise PZT, angeordnet. Unterhalb dieser Schicht befindet sich eine untere Elektrodenschicht 53, die auf einer Siliziumschicht 54 angeordnet ist. Diese ist wiederum auf einer Ätzstopschicht 55, insbesondere aus einem Oxid angeordnet. Diese befindet sich wiederum auf einer Waferstruktur 56. Durch die Anordnung der Ätzstopschicht 55 und durch die vorgegebenen Dicken der Siliziumschichten sind eine definierte Biegebalkendicke und damit eine vorgegebene Resonanzfrequenz des Sensors möglich, so dass eine Anpassung des Sensors an verschiedene, zu erfassende Beschleunigungswerte möglich ist. Eine Darstellung kann nun derart erfolgen, dass zunächst die untere Elektrode 53, die beispielsweise aus Platin oder Titan besteht, gesputtert wird und darauf die piezoelektrische Schicht 52 abgeschieden wird. Hierauf wird wiederum die obere Elektrode aufgesputtert, beispielsweise aus Platin oder Gold. Anschließend werden die Elektroden und die piezoelektrische Schicht beispielsweise mittels lonenstrahlätzen strukturiert, wobei ein Messbereich 57 gemäß der 6 freigestellt wird. Auch die Siliziumschichten 54, 56 werden nun beidseitig insbesondere durch Trenchen strukturiert. Hierbei wird die Oxidschicht (Buried Oxide (BOX)) als Ätzstopschicht verwendet, wobei die Ätzstopschicht 55 an der Unterseite geöffnet wird, so dass ein Balken 58 freigestellt wird. Durch eine Krafteinwirkung in Pfeilrichtung 59 kommt es nunmehr zu einer Schwingung des Balkens 58, die wiederum zu einer Verformung des piezoelektrischen Bereichs 52 führt, wobei eine Spannung über die Elektroden 51, 53 abgegriffen werden kann.
In der 7 ist eine erste Schaltungsanordnung dargestellt, bei der eine erste, zweite und dritte Sensoreinrichtung 61, 62, 63 mit einer Speichereinrichtung 64 in Reihe geschaltet sind. Jeweils parallel zu den Sensoreinrichtungen 61, 62, 63 ist jeweils ein Gleichrichter 65, 66, 67 geschaltet. In einer ersten Ausführungsform können die Sensoreinrichtungen alle derart angeordnet sein, dass sie eine Beschleunigung in eine Raumrichtung messen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Beschleunigungsrichtungen der Sensoreinrichtung 61, 62, 63 aber möglichst orthogonal zueinander im Raum derart angeordnet, dass eine Beschleunigung in alle drei Raumrichtungen messbar ist. Durch die Serienschaltung der Sensoreinrichtungen 61, 62, 63 addieren sich hierbei die erzeugten Spannungen, so dass an der Speichereinrichtung 64 eine entsprechend erhöhte Spannung für eine Änderung des elektrischen Widerstands der Speichereinrichtung 64 zur Verfügung steht. Um zu vermeiden, dass sich hierbei positive und negative Spannungen, die sich durch Beschleunigung ergeben, gegebenenfalls gegeneinander aufheben könnten, sind bevorzugt, jeweils parallel zu den Sensoreinrichtungen 61, 62, 63 die Gleichrichter 65, 66, 67 angeordnet. In einer ersten Ausführungsform sind die Gleichrichter dabei jeweils als Dioden geschaltet, wobei alle Dioden in die gleiche Richtung in dem Stromkreis geschaltet sind. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Gleichrichter in Form einer Gleichrichterschaltung mit vier Dioden gemäß der 9 ausgeführt sind, die in einem Ring 69 hintereinandergeschaltet sind, wobei zwischen jeweils zwei Dioden ein Anschluss vorhanden ist. Die beiden Anschlüsse des Sensors 68 sind mit einem ersten und dritten Anschluss des Rings 69 verbunden. Die beiden weiteren Anschlüsse sind mit den Eingängen einer Speichereinrichtung bzw. einem nachfolgenden oder vorhergehenden Element verbunden.
In einer alternativen Ausführungsform können die einzelnen Sensoreinrichtungen 61', 62', 63' auch parallel zueinander an dem Eingang einer Speichereinrichtung 64' angeschlossen sein. Ferner ist es auch möglich, dass für jede Sensoreinrichtung eine eigene Speichereinrichtung vorgesehen ist.
In der 10 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Speichereinrichtung am Beispiel eines ferroelektrischen Feldeffekttransistors 70 dargestellt. Das Gate des ferroelektrischen Feldeffekttransistors 70 ist mit einem Eingang 71 verbunden, über den eine von der Sensoreinrichtung abgegebene Spannung angelegt wird. Diese Spannung wirkt auf den ferroelektrischen Bereich 72 des FeFET 70 ein. Der von der Sensoreinrichtung abgegebene Spannungspuls verändert den Widerstand eines Kanalbereichs 73 des FeFET 70. Zwischen einem ersten Anschluss 74 und einem zweiten Anschluss 75 an Drain und Source des FeFET 70 ändert sich damit ein elektrischer Widerstand abhängig von der an über den Eingang 71 auf das Gate einfließenden Ladungsmenge, die von der Sensoreinheit an den FeFET 70 ausgegeben wird. Treten mehrere, erhöhte Beschleunigungen nacheinander auf, so ist es auch möglich, eine akkumulierte Beschleunigung und damit eine akkumulierte Stoßbelastung aufzuzeichnen. Durch eine Wahl einer Geometrie eines Beschleunigungssensors kann eine Resonanzfrequenz und damit eine Sensitivität für eine gewünschte mechanische Beschleunigung eingestellt werden, so dass ein Beschleunigungs- und damit ein Schock-Schwellwert realisiert werden kann.

In der folgenden Tabelle sind Beispiele für eine Auslegung eines Beschleunigungssensors mit einem Silizium-Biegebalken mit Silizium-Masse am Ende des Biegebalkens mit möglichen Resonanzfrequenzen für entsprechende Beschleunigungen angegeben.

Abmessung Biegebalken (Silizium)			Volumen der Masse (Silizium)	Resonanzfrequenz	a(gr)
Länge [µm]	Breite [µm]	Dicke [µm]	[m³]	[kHz]	[g]
100	10	5	1,25E-10	2,14	5
50	10	5	1,25E-10	6,06	10
100	10	5	3,30E-11	4,17	20

Hierbei bezeichnet „a(gr)“ einen zu detektierenden Beschleunigungs-Grenzwert und die Größe [g] bezeichnet die Erdbeschleunigung mi 1g = 9,81 m/s²
Bei einem Ausführungsbeispiel der Speichereinrichtung mit einer Struktur, bei der bei Überschreiten eines vorgegebenen Werts ein Durchbrennen einer Leiterbahnverbindung erfolgt, ist beispielsweise ähnlich einem Plattenkondensator aufgebaut. Das hierbei verwendete Dielektrikum hat eine bekannte Durchbruchfeldstärke. Ein Überschreiten einer Beschleunigung führt bei einer Einwirkung einer ausreichenden Beschleunigung auf das piezoelektrische Material zu einer Überschreitung der Durchbruchfeldstärke, wodurch ein leitfähiger Pfad durch den Kondensator entsteht. Vorteilhaft ist eine Zustandsänderung eines derartigen Sensors nicht zurücksetzbar und damit nicht manipulierbar. Ferner ist es auch möglich, auf einfache Weise parallel mehrere Speichereinrichtungen vorzusehen, die unterschiedliche Durchbruchsspannungen aufweisen, so dass mehrere Schwellwerte auf einfache Weise durch die mehreren, unterschiedlichen Speicherelemente realisiert werden können. Über ein parallel geschaltetes Array z. B. mit variabler Dicke des Dielektrikums oder mit verschiedenen Materialien können eine Vielzahl von Schwellwerten gleichzeitig realisiert, eine Überschreitung ggf. gemessen und gespeichert und anschließend abgefragt werden.
Bei einer Ausführung als elektrische Sicherung kann Siliziumoxid verwendet werden. Bei Siliziumoxid erfolgt ein Durchbruch ab einer elektrischen Feldstärke von etwa 10 MV/cm. Eine Speicherzelle bestehenden aus einer Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von 3 nm bildet bei einer Spannung von 3 V einen leitfähigen Pfad über Durchbruch aus. Die lateralen Abmessungen der Kondensatorstruktur werden im einfachsten Fall so gewählt, dass die Kapazität vernachlässigbar klein gegenüber der Ausgangskapazität des Beschleunigungssensors ist. Sinnvoll sind beispielsweise quadratische Kondensatorstrukturen mit einer Seitenlänge im Bereich 1 - 5 µm.
In der 11 ist ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes Überwachungsverfahren dargestellt. In einem Startschritt 80 wird eine Sensoreinrichtung an einem zu überwachenden Paket oder Gut angeordnet. In einem anschließenden Messschritt 81 überwacht die Sensoreinrichtung die zu überwachende physikalische Größe. In einem anschließenden Ausleseschritt 82 wird ein Zustand der Speichereinrichtung ausgelesen. In einem anschließenden Auswerteschritt 83 wird der Zustand der Speichereinrichtung beispielsweise durch eine Auswertung einer Resonanzfrequenz bestimmt und damit das Messergebnis der zu überwachenden physikalischen Größe ermittelt. In einem anschließenden Endschritt 84 wird das Verfahren beendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 103373538 A [0001]
WO 2007/094948 A1 [0002]

Claims

Sensoreinrichtung (1) mit einer Sensoreinheit (2) zum Bereitstellen einer definierten Spannung bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts einer physikalischen Größe, mit einer Speichereinrichtung (3) mit einem veränderlichen elektrischen Widerstand, wobei der Widerstand durch die von der Sensoreinheit (2) abgegebene Spannung in vorgegebener Weise veränderbar ist, und mit einer Ausleseeinrichtung (5) zum Ermöglichen eines Auslesens eines Status der Speichereinrichtung (3).
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (2) wenigstens einen Beschleunigungssensor (32, 50) aufweist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (2) wenigstens drei Beschleunigungssensoren (61, 62, 63) aufweist, deren lineare Detektionsrichtungen jeweils orthogonal zueinander angeordnet sind.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gleichrichter (65, 66, 66) jeweils parallel zu dem oder den Beschleunigungssensoren (61, 62, 63) geschaltet ist.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Beschleunigungssensoren (32, 50) als Biegesensoren ausgeführt sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesensoren ein piezoelektrisches Material aufweisen.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (3) als ein Hableiterelement, insbesondere ein FeFET, ein ReRam, ein Memristor, ein EEPROM, ein MRAM oder ein Flash Speicher, oder als ein definiert zerstörbares Leiterelement oder Isolatorelement ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (3) ein Teil eines Schwingkreises (3, 4, 5) ist, der die Ausleseeinrichtung bildet.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinrichtung oder der Schwingkreis mit einer RFID-Einheit (15) verbunden ist.
Überwachungsverfahren, wobei eine Sensoreinheit (2) eine definierte Spannung bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts einer physikalischen Größe bereitstellt, wobei ein elektrischer Widerstand einer Speichereinrichtung (3) durch die von der Sensoreinheit (2) abgegebene definierte Spannung in vorgegebener Weise verändert wird, und wobei eine Ausleseeinheit (9) ein Auslesen eines Status der Speichereinrichtung (3) ermöglicht.
Überwachungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Schwingkreis (3, 4, 5), in dem die Speichereinrichtung (3) angeordnet wird eine Wechselspannung zum Ermitteln der Resonanzfrequenz induziert wird.