DE10212023A1

DE10212023A1 - Sensorzelle

Info

Publication number: DE10212023A1
Application number: DE2002112023
Authority: DE
Inventors: Thomas Lich; Frank Mack
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2003-10-02

Abstract

Es wird vorgeschlagen, eine Sensorzelle (1) zum Erfassen von Druck- und/oder Krafteinwirkung mit mindestens einem flächigen piezoresistiven Widerstandselement (5), mit einem ersten auf dem Widerstandselement (5) angeordneten elektrischen Kontakt (7) und mit mindestens einem Gegenkontakt (9) zum Erfassen eines ersten Widerstandswerts zwischen dem ersten Kontakt (7) und dem Gegenkontakt (9) so auszugestalten, dass mindestens ein weiterer elektrischer Kontakt (8) auf dem Widerstandselement (5) angeordnet ist, so dass mindestens ein weiterer Widerstandswert zwischen dem weiteren Kontakt (8) und dem Gegenkontakt (9) erfassbar ist. Dadurch kann der Informationsgehalt pro Messung erhöht werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensorzelle zum Erfassen von Druck- und/oder Krafteinwirkungen, mit mindestens einem flächigen piezoresistiven Widerstandselement, mit einem ersten auf dem Widerstandselement angeordneten elektrischen Kontakt und mit mindestens einem Gegenkontakt zum Erfassen eines ersten Widerstandswerts zwischen dem ersten Kontakt und dem Gegenkontakt.

Derartige Sensorzellen finden sich beispielsweise in Sensormatten, die zum Zwecke der Insassenklassifizierung in Kraftfahrzeugsitze integriert werden. Mit Hilfe einer solchen druck- und kraftempfindlichen Sensormatte können Informationen über das Gewicht und die Sitzposition eines Insassen gewonnen werden. Dazu sind die Sensorzellen in der Regel matrixartig in der Sensormatte angeordnet und können einzeln angesteuert werden. Dementsprechend liefern die Sensorzellen einer Sensormatte eine Messwertmatrix, die Rückschlüsse auf das aktuelle Sitzprofil und Gewicht des Insassen zulässt. Die Messwertmatrix wird von einem Steuergerät ausgewertet. Die Ergebnisse dieser Auswertung können dann beispielsweise bei der Auslösung von Rückhaltemitteln, wie z. B. mehrstufigen Airbags und Gurtstraffern, berücksichtigt werden.

Die aus der Praxis bekannten Sensormatten sind mit sogenannten FSR (Force Sensing Resistor)-Zellen ausgestattet. Der Schichtaufbau dieser Zellen wird durch eine untere und eine obere Abdeckung begrenzt. Zwischen den Abdeckungen ist ein sogenanntes Spacer-Material angeordnet, das in gewissem Umfang komprimierbar und elektrisch isolierend ist. Als piezoresistives Widerstandselement dient ein FSR-Film aus einer halbleitenden Tintenpaste, der über einem Ausschnitt im Spacer-Material angeordnet ist. Der Ausschnitt im Spacer-Material ist an einen Luftkanal angeschlossen, über den ein Druckausgleich zum äußeren Luftdruck stattfinden kann. Um das Eindringen von Wasser zu verhindern, sind die Öffnungen des Luftkanals mit Membranen versehen. Der FSR-Film verringert seinen elektrischen Widerstand bei Kraft- oder Druckeinwirkung. Dies ist einerseits auf die piezoresistiven Eigenschaften des FSR-Films zurückzuführen und andererseits auf die elektrische Kontaktierung des FSR-Films. Ein elektrischer Kontakt ist in Form einer Silberschicht realisiert, die den FSR-Film im wesentlichen ganzflächig überdeckt. Lediglich um eine Korrosion der Silberschicht zu vermeiden, ist zwischen dem FSR-Film und der Silberschicht eine Graphitschicht angeordnet. Die bekannte FSR-Zelle umfasst mehrere Gegenkontakte, die auf der unteren Abdeckung des Schichtaufbaus, im Bereich des Ausschnitts im Spacer-Material, dem FSR-Film gegenüberliegend angeordnet sind. Dementsprechend wird der FSR- Film nur dann zweiseitig kontaktiert, wenn die Sensorzelle durch Kraft- oder Druckeinwirkung deformiert bzw. komprimiert wird. Je größer die Kraft- bzw. Druckeinwirkung ist, um so größer ist die Anzahl der kontaktierenden Gegenkontakte und damit die Kontaktfläche insgesamt. Dementsprechend ist der Widerstand der FSR-Zelle eine monoton abfallende Funktion in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft bzw. dem aufgebrachten Druck.

Die bekannte Sensorzelle liefert einen einzigen Messwert pro Messung. Sie bietet keinerlei Möglichkeiten zur Überprüfung der Aussagekraft dieses Messwerts oder zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit der Sensorzelle. Dies erweist sich in der Praxis als problematisch, da die halbleitende Tintenpaste, aus der das Widerstandselement gebildet ist, alterungsbedingt an Empfindlichkeit einbüßen kann, so dass die Sensorzelle im Extremfall "blind" gegen Kraft- oder Druckeinwirkungen werden kann.

Vorteile der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, eine Sensorzelle der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass sich mit ihr mehr als ein Messwert pro Messung erfassen lässt, so dass sich insgesamt der Informationsgehalt pro Messung erhöht.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass mindestens ein weiterer elektrischer Kontakt auf dem Widerstandselement angeordnet wird, so dass sich mindestens ein weiterer Widerstandswert zwischen dem weiteren Kontakt und dem Gegenkontakt erfassen lässt.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass der auf dem Widerstandselement angeordnete elektrische Kontakt das Widerstandselement nicht ganzflächig überdecken muss, um einen kraft- bzw. druckabhängigen Widerstandswert zwischen diesem elektrischen Kontakt und mindestens einem Gegenkontakt zu erfassen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, mindestens einen weiteren elektrischen Kontakt auf dem Widerstandselement anzuordnen. Auf diese Weise können bei einem Messvorgang mehrere kraft- bzw. druckabhängige Widerstandswerte jeweils zwischen einem auf dem Widerstandselement angeordneten elektrischen Kontakt und mindestens einem Gegenkontakt erfasst werden. Dementsprechend groß ist der Informationsgehalt pro Messung mit einer erfindungsgemäßen Sensorzelle.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sensorzelle sind der erste elektrische Kontakt und der weitere elektrische Kontakt so miteinander verschaltet, dass ein zusätzlicher Widerstandswert zwischen diesen beiden Kontakten erfassbar ist. Diese Variante bietet zusätzlich die Möglichkeit der Durchführung einer Relativmessung, mit der die Funktionsfähigkeit und das Alterungsverhalten der Sensorzelle überwacht werden können.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung einer erfindungsgemäßen Sensorzelle.

Das piezoresistive Verhalten des Widerstandselements der erfindungsgemäßen Sensorzelle hängt unter anderem von der flächigen Ausdehnung des Widerstandselements ab. Es erweist sich deshalb als vorteilhaft, auch den ersten elektrischen Kontakt und den mindestens einen weiteren elektrischen Kontakt flächig auszubilden. Auf diese Weise kann der Informationsgehalt der Messwerte über die Art der Kraft- bzw. Druckeinwirkung und auch der Informationsgehalt einer etwaigen Relativmessung einfach erhöht werden. Eine gewisse Redundanz der Messwerte kann erreicht werden, wenn der erste elektrische Kontakt und der mindestens eine weitere elektrische Kontakt in Form von Leiterbahnen ausgebildet sind und diese Leiterbahnen ineinandergreifend über die Oberfläche des Widerstandselements geführt sind. Dabei sollten möglichst alle Bereiche der Oberfläche tangiert sein. Dazu können die Leiterbahnen beispielsweise mäanderförmig oder auch spiralförmig über die Oberfläche des Widerstandselements geführt sein.

Die erfindungsgemäße Sensorzelle lässt sich einfach, nämlich mit bekannten und gut handhabbaren Herstellungsverfahren, in einem Schichtaufbau realisieren - wie er beispielsweise voranstehend in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben worden ist und nachfolgend nochmals kurz anhand der Ausführungsbeispiele erläutert wird.

Zeichnungen

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Sensorzelle, und
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf das Widerstandselement einer erfindungsgemäßen Sensorzelle mit einer möglichen Anordnung eines ersten und eines weiteren elektrischen Kontakts.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in Fig. 1 dargestellte Sensorzelle 1 dient zum Erfassen von Druck- und/oder Krafteinwirkungen. Der Schichtaufbau der Sensorzelle 1 wird von einer unteren Abdeckschicht 2 und einer oberen Abdeckschicht 3 begrenzt. Zwischen den beiden Abdeckschichten 2 und 3 ist ein Spacer-Material 4 angeordnet, das in gewissem Umfang komprimierbar und elektrisch isolierend ist.
Die Sensorzelle 1 umfasst ein piezoresistives Widerstandselement 5, das in Form eines FSR-Films aus einer halbleitenden Tintenpaste realisiert ist. Der FSR-Film 5 ist über einem Ausschnitt 6 im Spacer-Material 4 angeordnet, der an einen hier nicht dargestellten Luftkanal angeschlossen ist. Auf diese Weise wird ein Druckausgleich zwischen dem Inneren der Sensorzelle 1 und dem äußeren Luftdruck gewährleistet.
Auf der Oberseite des FSR-Films 5 sind im hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei elektrische Kontakte 7 und 8 angeordnet, die in Form von Leiterbahnen ausgebildet sind und aus einer Silberschicht herausstrukturiert sind. Fig. 2 verdeutlicht, dass die Leiterbahnen 7 und 8 ineinandergreifend, und zwar spiralförmig, über die Oberfläche des Widerstandselements 5 geführt sind.
Die hier dargestellte Sensorzelle 1 umfasst mehrere Gegenkontakte 9, die auf der unteren Abdeckschicht 2 des Schichtaufbaus, im Bereich des Ausschnitts 6 angeordnet sind, so dass sie dem FSR-Film 5 gegenüberliegen. Dementsprechend wird der FSR-Film 5 nur dann zweiseitig kontaktiert, wenn die Sensorzelle 1 durch Kraft- oder Druckeinwirkung deformiert bzw. komprimiert wird. Je größer die Kraft- bzw. Druckeinwirkung ist, um so größer ist die Anzahl der kontaktierenden Gegenkontakte 9. Auch die Gegenkontakte 9 sind hier in Form von Leiterbahnen realisiert, die aus einer Silberschicht herausstrukturiert sind.
Zwischen dem FSR-Film 5 und den elektrischen Kontakten 7 und 8 und auch auf den Oberflächen der Gegenkontakte 9 ist jeweils eine Graphitschicht 10 bzw. 11 als Korrosionsschutz ausgebildet.
Erfindungsgemäß sind die elektrischen Kontakte 7 und 8 jeweils mit den Gegenkontakten 9 verschaltet, so dass sich mit der hier dargestellten Sensorzelle 1 bei jeder Messung zwei voneinander unabhängige Widerstandswerte erfassen lassen, nämlich der Widerstand des FSR-Films 5 zwischen dem elektrischen Kontakt 7 und den Gegenkontakten 9 und der Widerstand des FSR-Films 5 zwischen dem elektrischen Kontakt 8 und den Gegenkontakten 9. Durch die Redundanz der so gewonnenen Messwerte wird die Messung insgesamt unanfälliger gegen Fehler. Zusätzlich sind auch die elektrischen Kontakte 7 und 8 miteinander verschaltet, so dass sich außerdem noch der Widerstand des FSR-Films 5 zwischen diesen beiden Kontakten 7 und 8 bestimmen lässt. Mit Hilfe dieser Relativmessung kann die Funktionsfähigkeit der Sensorzelle 1 überprüft werden, insbesondere ob sich die piezoresistiven Eigenschaften des FSR-Films 5 mit der Zeit verändern.
Fig. 2 verdeutlicht, dass die elektrischen Kontakte 7 und 8 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel in Form von Leiterbahnen ausgebildet sind, die ineinandergreifend, jeweils spiralförmig über die Oberfläche des Widerstandselements 5 geführt sind. Dazu bestehen die elektrischen Kontakte 7 und 8 hier jeweils aus geradlinigen Leiterbahnabschnitten, die rechtwinklig aneinandergrenzen, so dass sie insgesamt jeweils eine eckige Spiralform bilden.
Die Leiterbahnen der elektrischen Kontakte einer erfindungsgemäßen Sensorzelle könnten aber auch anders als hier dargestellt ausgebildet und angeordnet sein. So könnten sie beispielsweise auch eine runde Spiralform bilden oder mäanderförmig über die Oberfläche des Widerstandselements geführt sein. Selbstverständlich können auch mehr als nur zwei elektrische Kontakte auf dem Widerstandselement einer erfindungsgemäßen Sensorzelle angeordnet sein.
Von besonderem Vorteil ist der Einsatz von erfindungsgemäßen Sensorzellen in einer Sensormatte zur Insassenklassifizierung, wie sie eingangs beschrieben worden ist. Zum einen liefert jede erfindungsgemäße Sensorzelle mehr als nur einen Messwert pro Einbauort, was die Aussagekraft der mit Hilfe der Sensormatte erfassten Messwertmatrix insgesamt erhöht. Zum anderen kann an Hand der voranstehend beschriebenen Relativmessungen die Funktionsfähigkeit der einzelnen Sensorzellen überprüft werden. Bezugszeichen 1 Sensorzelle
2 untere Abdeckschicht
3 obere Abdeckschicht
4 Spacer-Material
5 Widerstandselement/FSR-Film
6 Ausschnitt (im Spacer-Material)
7 Elektrischer Kontakt
8 Elektrischer Kontakt
9 Gegenkontakt
10 Graphitschicht (elektrischer Kontakt)
11 Graphitschicht (Gegenkontakt)

Claims

1. Sensorzelle zum Erfassen von Druck- und/oder Krafteinwirkungen
mit mindestens einem flächigen piezoresistiven Widerstandselement (5),
mit einem ersten auf dem Widerstandselement (5) angeordneten elektrischen Kontakt (7) und
mit mindestens einem Gegenkontakt (9) zum Erfassen eines ersten Widerstandswerts zwischen dem ersten Kontakt (7) und dem Gegenkontakt (9),
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer elektrischer Kontakt (8) auf dem Widerstandselement (5) angeordnet ist, so dass mindestens ein weiterer Widerstandswert zwischen dem weiteren Kontakt (8) und dem Gegenkontakt (9) erfassbar ist.

2. Sensorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Kontakt (7) und der weitere elektrische Kontakt (8) miteinander verschaltet sind, so dass ein zusätzlicher Widerstandswert zwischen diesen beiden Kontakten (7, 8) erfassbar ist.

3. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Kontakt (7) und der mindestens eine weitere elektrische Kontakt (8) flächig ausgebildet sind.

4. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste elektrische Kontakt (7) und der mindestens eine weitere elektrische Kontakt (8) in Form von Leiterbahnen ausgebildet sind, und dass die Leiterbahnen ineinandergreifend über die Oberfläche des Widerstandselements (5) geführt sind.

5. Sensorzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen mäanderförmig über die Oberfläche des Widerstandselements geführt sind.

6. Sensorzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (7, 8) spiralförmig über die Oberfläche des Widerstandselements (5) geführt sind.

7. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandelement (5), die elektrischen Kontakte (7, 8) und der Gegenkontakt (9) Bestandteile eines Schichtaufbaus sind.

8. Sensorzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerstandselement (5) mit den elektrischen Kontakten (7, 8) über einem Luftkanal (6) im Schichtaufbau angeordnet ist, der einen Druckausgleich mit der Umgebung ermöglicht, und dass der mindestens eine Gegenkontakt (9) auf der dem Widerstandselement (5) gegenüberliegenden Seite des Luftkanals (6) angeordnet ist.

9. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontakte (7, 8) in Form einer strukturierten Silberschicht über dem Widerstandselement (5) realisiert sind.

10. Sensorzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Widerstandselement (5) und den elektrischen Kontakten (7, 8) jeweils eine Graphitschicht (10) angeordnet ist.

11. Verwendung von Sensorzellen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Sensormatte, insbesondere zur Insassenklassifizierung in einem Kraftfahrzeug.