DE10230198A1 - Sensor mit einer Heizeinrichtung und Verfahren - Google Patents

Sensor mit einer Heizeinrichtung und Verfahren Download PDF

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Bernhard Jakoby
Isolde Simon
Michael Arndt
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    • B60R21/013Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including means for detecting collisions, impending collisions or roll-over

Abstract

Es wird ein Sensor (1) und ein Verfahren vorgeschlagen, wobei der Sensor der Messung der Bewegung eines Fluids relativ zu einer Heizeinrichtung (30) dient, wobei Temperaturmessmittel (30, 31) derart vorgesehen sind, in Abhängigkeit der Bewegung des Fluids die Temperatur des Fluids an einem Messort zu messen, wobei als Messort der Ort der Heizeinrichtung oder in ihrer unmittelbaren Nähe vorgesehen ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit einer Heizeinrichtung und einem Verfahren nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche. Für die Detektion eines Stoßes, z. B. beim Aufprall eines Gegenstandes auf ein Kraftfahrzeug, werden heute insbesondere im Fahrzeug angebrachte Beschleunigungssensoren eingesetzt. Diese werten zumeist die Bewegung einer seismischen Masse aus. Bekannt sind jedoch auch auf thermischen Funktionsprinzipien basierende Sensoren. Beispielhaft weist ein solcher bekannter Sensor einen Graben auf, über den in Querrichtung freihängende Brücken aufgespannt sind. Eine dieser Brücken wird als Heizelement genutzt, während zwei danebenliegende Brücken als Temperaturfühler fungieren. Durch die Beheizung bildet sich, ausgehend vom Heizelement, ein Temperaturgradient in Richtung der Temperatursensoren. Eine plötzliche Beschleunigung des Sensors bewirkt eine Veränderung des Temperaturgradienten. Solche bekannten thermischen Beschleunigungssensoren sind relativ robust, da sie im Gegensatz zu Sensoren mit seismischer Masse keine beweglichen Teile umfassen. Die feinen, frei aufgehängten Brücken schränken diese Robustheit jedoch stark ein: Sie sind insbesondere anfällig auf sich in der Umgebung der freiaufgehängten Brücken, d. h. also beispielsweise in der Luft, befindliche Partikel. Weiterhin sind sie aufwendig zu fertigen, da z. B. ein konventioneller Sägeprozess bei diesen Sensoren nicht oder nur sehr schwer durchführbar ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass ein einfacherer, robusterer Sensor und eine Auswertemethode bzw. ein Verfahren zur Messung vorgeschlagen werden. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Heizeinrichtung und die Temperaturmessmittel an ein und demselben Ort bzw. in unmittelbarer Nähe voneinander vorgesehen sind. Dies erhöht die Stabilität bzw. die Robustheit der Sensoranordnung.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Sensors und des Verfahrens möglich.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausführung eines thermischen Stoß- und Beschleunigungssensors tritt im Gegensatz zu bekannten Sensoren keine Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Neigung des Sensors auf. Außerdem ist das Ausgangssignal unabhängig von der Richtung in die die Beschleunigung erfolgt.
  • Weiterhin ist von Vorteil, dass als Temperaturmessmittel der elektrische Widerstand der Heizeinrichtung und eine Beschattung der Heizeinrichtung vorgesehen ist. Damit ist es erfindungsgemäß möglich, sowohl die Funktion der Aufheizung als auch die Funktion der Temperaturmessung durch die Heizeinrichtung durchzuführen. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Sensoranordnung einfacher und billiger herzustellen und somit bei gleichem Preis auch robuster vorzusehen.
  • Weiterhin ist von Vorteil, dass die Heizeinrichtung zum Betrieb mit einem konstanten Strom oder einer konstanten Spannung oder einer konstanten Leistung vorgesehen ist, wobei der Strom oder die Spannung oder die Leistung insbesondere in Abhängigkeit eines Signals eines Umgebungstemperaturfühlers vorgesehen ist, was zur Folge hat, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung derart auslegbar ist, dass sie für eine Kompensation der Messempfindlichkeit über einen weiten Umgebungstemperaturbereich benutzt werden kann.
  • Weiterhin ist von Vorteil, dass ein Thermoelement am Ort der Heizeinrichtung oder in ihrer unmittelbaren Nähe vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, eine von dem elektrischen Widerstand der Heizeinrichtung unabhängige Messung der Temperatur des Fluids vorzusehen.
  • Weiterhin ist von Vorteil, dass eine Mehrzahl von Heizeinrichtungen und eine Mehrzahl von Temperaturmessmitteln vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, anhand des Vergleichs des zeitlichen Verlaufs der mit den Temperaturmessmitteln gemessenen Temperaturen auf die Stoßrichtung zu schließen. Bei einer Anordnung der Mehrzahl von Heizeinrichtungen und ihre Beschattung im Form einer Wheatstoneschen Brücke lässt sich in einer Variante der erfindungsgemäße Sensoranordnung auch ein erhöhtes Ausgangssignal erreichen. Weiterhin ist es bei einer Mehrzahl von Heizeinrichtungen möglich, anhand der zeitlichen Lage der Signale und der Amplituden die Stoßrichtung und die Stoßintensität zu messen.
  • Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen
  • 1 eine bekannte Sensoranordnung nach dem Stand der Technik,
  • 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in eine perspektivische Darstellung und in einer Schnittdarstellung,
  • 3 die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einer ersten Variante der Heizeinrichtung,
  • 4 die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einer zweiten Variante der Heizeinrichtung,
  • 5 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Draufsicht,
  • 6 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Draufsicht,
  • 7 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik für die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
  • 8 eine mögliche Realisierung eines Teils der Auswerteschaltung,
  • 9 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik für die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
  • 10 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik für die dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
  • 11 eine Darstellung in Abhängigkeit der Zeit des Nutzsignals der erfindungsgemäßen Sensoranordnung bei einem leichteren Stoß,
  • 12 eine Darstellung in Abhängigkeit der Zeit des Nutzsignals der erfindungsgemäßen Sensoranordnung bei einem schwereren Stoß,
  • 13 eine weitere Aufbauvariante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, 14 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, 15 eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
  • 16 vier Darstellungen in Abhängigkeit der Zeit der Nutzsignale gemäß der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
  • 17 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik für die fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist beispielhaft ein bekannter Sensor zur Detektion eines Stoßes, z. B. beim Aufprall eines Gegenstandes auf ein Kraftfahrzeug, nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Sensor nach dem Stand der Technik ist mit dem Bezugszeichen 100 versehen. Der Sensor 100 umfasst einen Graben 120, über den in Querrichtung extrem feine, freihängende Brücken aufgespannt sind. Diese sind in 1 mit dem Bezugszeichen 130 und 140 bezeichnet. Eine dieser Brücken wird als ein Heizelement 130 genutzt, während die danebenliegenden Brücken 140 als Temperaturfühler Tangieren. Durch die Beheizung bildet sich, ausgehend vom Heizelement 130, im umgebenden Fluid ein Temperaturgradient in Richtung der Temperatursensoren aus. Eine plötzliche Beschleunigung, beispielsweise durch einen Stoß, des Sensors bewirkt eine Veränderung des Temperaturgradienten. Über die Temperatursensoren 140 wird diese Veränderung detektiert und mittels einer Auswerteelektronik in ein der Beschleunigung proportionales Ausgangssignal umgewandelt. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass die feinen, freiaufgehängten Brücken 130, 140 nicht sehr robust sind. Diese Brücken sind anfällig auf sich in der Luft bzw. in dem die Brücken umgebenden Medium, befindenden Partikel. Außerdem sind sie aufwendig zu fertigen, da z. B. ein konventioneller Sägeprozess bei diesen Sensoren nicht durchführbar ist.
  • In 2 wird in einer perspektivischen Darstellung im oberen Teil der Figur und in einer Schnittdarstellung im unteren Teil der Figur ein erfindungsgemäßer Sensor 1 bzw. eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 dargestellt. Der Sensor 1 ist realisiert in einem Substrat 10, welches insbesondere als Halbleitersubstrat 10 vorgesehen ist. Beispielhaft wird das Substrat 10 im folgenden auch als Siliziumsubstrat 10 bezeichnet. Es kann jedoch auch ein anderes Halbleitermaterial als Substrat Verwendung finden bzw.
  • auch ein Material als Substrat dienen, welches kein Halbleiter ist. In dem Substrat 10 des Sensors 1 ist eine Kaverne 20 vorgesehen, welche in 2 lediglich in der Schnittdarstellung im unteren Teil der Figur sichtbar ist. Die Kaverne 20 ist beispielsweise von der Rückseite des Substrats 10 in Bulkmikromechaniktechnologie herstellbar. Nach der Fertigung der Kaverne 20 in dem Substrat 10 verbleibt an der Vorderseite des Substrats 10 eine Membran 25 stehen. Die Ausbildung der Kaverne 20 geschieht erfindungsgemäß insbesondere durch Ätzung der Kaverne 20 in das Siliziumsubstrat 10. Die Kaverne 20 wird auf der Vorderseite des Substrates 10 von der Membran 25 abgeschlossen, welche dielektrische Eigenschaften aufweist und thermisch isolierend wirkt. Auf der Membran 25 befindet sich mindestens ein temperaturabhängiger Widerstand 30, beispielsweise aus Platin. In weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 ist es auch vorgesehen, dass zusätzlich zu dem temperaturabhängigen Widerstand 30 weitere Widerstände bzw. ein Thermoelement auf der Membran 25 vorgesehen sind. Wichtig bei allen Ausführungsformen der Erfindung ist hierbei, dass die Membran 25 mit den sich darauf befindlichen Strukturen eine geringe thermische Masse aufweist und somit eine geringe thermische Zeitkonstante besitzt. So ist es möglich, Sensoranordnungen 1 vorzusehen, welche eine Zeitkonstante im Bereich von 1 Millisekunde bis 15 Millisekunden aufweisen. Im Betrieb wird der Widerstand 30 bzw. bei einer Mehrzahl von Widerständen wenigstens einer dieser Widerstände elektrisch beheizt. Befindet sich der Sensor 1 in Ruhe, d. h. wirken auf den Sensor keine Beschleunigungskräfte, so bildet sich über und unter dem elektrisch beheizten Widerstand 30 ein eng begrenztes Volumen erwärmten Gases, beispielsweise Luft, oder ein Konventionsstrom des Gases aus. Die Temperatur des Widerstandes 30 und damit sein Widerstandswert stellt sich auf einen konstanten Wert ein. Wird der Sensor beschleunigt und erfährt dabei eine ausreichend große Streckenamplitude, beispielsweise durch eine ruck- bzw. stoßartige seitliche Bewegung, so bewirkt die Trägheit der kalten Luft in der Umgebung des erwärmten Luftvolumens bzw. allgemein des Fluidvolumens, dass sich das erwärmte Volumen vom Sensor, d.h. in diesem Fall vom Ort der Temperaturmessung, wegbewegt. Aufgrund der geringen Zeitkonstante der Membran 25 kühlt sich der Widerstand 30 dabei entsprechend ab. Dies führt zu einer Änderung des Widerstandswertes des Widerstands 30, welche mit einer Auswertevorrichtung bzw. einer Auswerteelektronik detektiert werden kann. Die Auswerteelektronik umfasst Mittel zum Beheizen des Widerstandes 30 und Mittel zur Messung des Widerstandswertes des Widerstands 30 und zur Umwandlung desselben in ein elektrisches Nutzsignal. Der Sensor 1 und die Auswerteelektronik können für die Detektion von plötzlich auftretenden Stößen genutzt werden. Die Signalamplitude des Nutzsignals ist von der Stärke des Stoßes abhängig. Daher kann der Sensor 1 auch für eine Beschleunigungsmessung verwendet werden. Erfindungsgemäß ist es sinnvoll, wenn die Auslenkungsamplitude des Stoßes genügend groß ist, beispielsweise einige Millimeter, damit sich der Widerstand 30 unter dem erwärmten Gasvolumen wegbewegen kann und somit eine andere Temperatur „sehen" kann. Es ist jedoch auch klar, dass die Mindestamplitude des Stoßes hinsichtlich der Strecke der Auslenkung umso kleiner sein wird, je kleiner die Abmessungen des Widerstandes 30 bzw. der Kaverne 20 und der gesamten Sensoranordnung 1 ist.
  • Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 weist einen robusten Aufbau auf und kann mit Standardverfahren gefertigt werden. Da keine seismischen Massen benötigt werden, die bei einem starken Stoß an einen Anschlag schlagen können, ist es möglich, dass mit solch einem erfindungsgemäßen Sensor große Stoßintensitätsbereiche ohne potenzielle Beschädigung empfindlicher beweglicher Teile im Sensor 1 gemessen werden können.
  • Der Sensor 1 beruht dabei auf dem Prinzip, dass der Widerstand 30 als Heizeinrichtung 30 vorgesehen ist. Die Heizeinrichtung 30 befindet sich im thermischen Kontakt zu einem Fluid, insbesondere einem Gas, welche sich in der Kaverne 20 bzw. auch auf der Oberseite der Membran 25 befindet. Ohne den Einfluss einer auf den Sensor 1 wirkenden beschleunigenden Kraft bildet sich durch die Heizwirkung der Heizeinrichtung 30 ein thermisches Gleichgewicht in Form eines ständigen Wärmestroms von der Heizeinrichtung 30 in das Fluid aus. Ist die Sensoranordnung 1 samt ihrer Heizeinrichtung 30 einer beschleunigenden Kraft ausgesetzt, so kommt es durch die Trägheit des Fluids zu einer Bewegung des Fluids relativ zu der Heizeinrichtung 30, wodurch das thermische Gleichgewicht geändert wird, was zu einer Temperaturveränderung am Ort der Heizeinrichtung bzw. in ihrer unmittelbaren Nähe führt. Erfindungsgemäß ist am Ort der Heizeinrichtung 30 bzw. in ihrer unmittelbaren Nähe ein Temperaturmessmittel vorgesehen, welches die Änderung des thermischen Gleichgewichts mittels einer Temperaturänderung detektieren kann. Dadurch ist die Bewegung des Fluids relativ zu der Heizeinrichtung 30 messbar. Erfindungsgemäß ist bei einer ersten und zweiten Ausführungsform des Sensors 1 vorgesehen, dass der elektrische Widerstandswert der Heizeinrichtung 30 als Temperaturmessmittel dient. Bei einer dritten Ausführungsform des Sensors 1 ist ein von der Heizeinrichtung 30 getrenntes Temperaturmessmittel vorgesehen.
  • Gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist es vorgesehen, über der Kaverne 20 die thermisch isolierenden Membran 25, insbesondere aus Siliziumoxyd und Siliziumnitrid vorzusehen. Die Ausbildung der Membran 25 im Siliziumoxyd und Siliziumnitrid ist insbesondere bei der Verwendung von Siliziumsubstrat als Substrat 10 erfindungsgemäß sinnvoll. Auf der Membran 25 befindet sich eine Heizeinrichtung 30 bzw. eine Mehrzahl von Heizeinrichtungen 30, welche unterschiedlich geformt sein können. In 3 ist eine erste Variante der Form der Heizeinrichtung 30 in Mäanderform und in 4 eine zweite Variante der Form der Heizeinrichtung 30 in Schneckenform dargestellt. Sowohl in der 2 als auch in den 3 und 4 ist die Widerstandseinrichtung 30 bzw. die Heizeinrichtung 30 mit Anschlussflächen und Bondpads (Bezugszeichen 36) und Zuleitungen 35 elektrisch verbindbar. Die Bondpads 36 und die Zuleitungen 35 sind auf dem Substrat 10 vorgesehen. Die Widerstandseinrichtung 30 ist insbesondere aus Platin vorgesehen.
  • In 5 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 1 dargestellt. Bei der zweiten Ausführungsform ist neben der Heizeinrichtung 30 im Bereich der Membran 25 ein Umgebungstemperaturfühler 50 auf dem Substrat 10 vorgesehen, welcher ebenfalls mittels Bondpads und Zuleitungen, welche jedoch nicht durch Bezugszeichen bezeichnet sind, verbindbar ist. Der Umgebungstemperaturfühler 50 ist erfindungsgemäß insbesondere ebenfalls aus Platin vorgesehen. Der Umgebungstemperaturfühler 50 ist für die Detektion der Umgebungstemperatur vorgesehen. Der Widerstandswert des Umgebungstemperaturfühlers kann für die Kompensation der Messempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Temperaturmessmittel über einen weiten Umgebungstemperaturbereich genutzt werden.
  • In 6 ist eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 dargestellt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist jetzt ein von der Heizeinrichtung 30 separates Thermoelement 31 vorgesehen, welches die Temperatur des Fluids am Ort der Heizeinrichtung bzw. in ihrer unmittelbaren Nähe misst. Das Thermoelement 31 ist als Temperaturfühler ausgebildet und mittels speziellen Zuleitungen 311 auf dem Substrat 10 mit nicht näher mit Bezugszeichen bezeichneten Bondpads verbunden. Erfindungsgemäß ist es bei der dritten Ausführungsform vorgesehen, dass das Thermoelement 31 direkt am Ort der Heizeinrichtung 30 bzw. in ihrer unmittelbaren Umgebung vorgesehen ist. Als der Ort der Heizeinrichtung 30 wird hierbei – für den Fall einer mäanderförmigen Form der Heizeinrichtung 30 auf dem Membran 25 – die gesamte Membranfläche verstanden, welche von der Mäanderstruktur der Heizeinrichtung 30 mehr oder weniger abgedeckt wird. Auch wenn das Thermoelement 31 neben einer Widerstandsleitung des Heizelementes 30 aber innerhalb einer Schleife der mäanderförmigen Struktur der Heizeinrichtung 30 vorgesehen ist, ist das Thermoelement 31 dennoch am Ort der Heizeinrichtung 30 angeordnet, da auch bei der Verwendung der Heizeinrichtung 30 als Temperaturmessmittel keine bessere Ortsauflösung hinsichtlich der Temperaturdetektion möglich wäre.
  • Das Thermoelement 31 umfasst an seiner Spitze eine heiße Verbindung (Buchstabe A in 6) und an seiner Verbindung zu den Zuleitungen 311 (Buchstabe B in 6) eine kalte Verbindung. Ein Thermoelement besteht üblicherweise aus zwei Verbindungen zwischen jeweils zwei elektrisch leitenden oder halbleitenden Materialien. Zu jedem dieser Verbindungen führt eine Zuleitung. Zwischen den Enden dieser Zuleitungen kann eine elektrische Spannung gemessen werden, sobald eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Verbindungspunkten auftritt. Üblicherweise befindet sich dann die heiße Verbindung auf einer höheren Temperatur als die kalte Verbindung. Bei dem hier beschriebenen Sensor befindet sich daher die heiße Verbindung auf der beheitzten Membran und die kalte Verbindung auf dem umgebenden Substrat. Bei der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 ist es natürlich auch möglich, eine Mehrzahl von Thermoelementen 31 am Ort der Heizeinrichtung 30 oder in ihrer unmittelbaren Nähe vorzusehen.
  • In 7 ist ein Blockschaltbild der Auswerteelektronik für die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 1 dargestellt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der als Heizeinrichtung 30 vorgesehene Heizwiderstand auf der Membran 25 mit einem konstanten Strom oder einer konstanten Spannung oder einer konstanten Leistung betrieben wird. Dies ist in 7 für den Fall eines konstanten Stromes dargestellt. Der Heizstrom ist in 7 mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet. Der Widerstandswert der Heizeinrichtung 30 ist in 7 mit dem Bezugszeichen 310 bezeichnet. Zur Erzeugung des konstanten Heizstroms 300 ist erfindungsgemäß eine Konstantstromquelle 301 vorgesehen. Der Heizwiderstand 310 wird mittels Spannungsabfall über ihm gemessen und einer Verstärkerschaltung 60 zugeführt. Nach der Verstärkung in der Verstärkerschaltung 60 wird in einer Offset-Korrektureinrichtung 65 mittels einer Offset-Korrekturspannung 650 eine Offset-Korrektur durchgeführt und anschließend das Signal in einer Filtereinrichtung 70 gefiltert. Der Filtereinrichtung 70 ist dann das Nutzsignal 700 gegenüber der Masse 698 entnehmbar.
  • In 8 ist eine mögliche Realisierung der Auswerteschaltung aus 7 dargestellt, wobei jedoch auf die Filtereinrichtung 70 verzichtet wurde. Ein erster Operationsverstärker 330, welcher mit der Versorgungsspannung 699 und dem Massepotenzial 698 verbunden ist, dient zur Einstellung des konstanten Heizstroms 300 durch den Heizwiderstand 310, welcher zwischen den Ausgang des ersten Operationsverstärkers 330 und seinen invertierenden Eingang geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers ist mit dem Abgriff eines ersten regelbaren Widerstandes 320 verbunden, der zur Einstellung des Heizstromes 300 dient. Weiterhin ist zwischen Masse 698 und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 330 ein erster Widerstand 305 angeordnet. Das Ausgangssignal 315 des ersten Operationsverstärkers 330 wird mittels eines zweiten Operationsverstärkers 651 verstärkt und Offset-kompensiert. Hierzu ist der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 330 über einen zweiten Widerstand 306 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 verbunden. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 651 ist weiterhin mittels eines dritten Widerstandes 658 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 verbunden. Damit dient der zweite Operationsverstärker 651 als Verstärkungseinrichtung 60. Weiterhin liegt ein zweiter regelbarer Widerstand 655 zwischen der Versorgungsspannung 699 und dem Massepotenzial 698, wobei der Abgriff des zweiten regelbaren Widerstandes 655 über einen vierten Widerstand 656 mit dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 verbunden ist. Weiterhin ist der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 über einen fünften Widerstand 657 mit dem Massepotenzial 698 verbunden. Durch die beschriebene Anordnung an dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 wird eine Offset-Kompensation durchgeführt. Somit entspricht der zweite Operationsverstärker 651 teilweise auch der Offset-Kompensationseinrichtung 65 aus 7. Am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 651 ist das (ungefilterte) Nutzsignal 700 abgreifbar.
  • Die 11 und 12 zeigen Darstellungen des zeitlichen Verlaufs des Nutzsignals 700 am Ausgang einer Auswerteschaltung gemäß 8 für den Fall, dass in der Mitte des dargestellten zeitlichen Verlaufs ein Stoß auf die Sensoranordnung 1 ausgeübt wird. Hierbei handelt es sich bei dem in 11 dargestellten Signal um das Signal für einen leichteren Stoß und bei dem in 12 dargestellten Signal um das Signal für einen schwereren Stoß.
  • In 9 ist ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik für die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 dargestellt. Auch die Auswerteelektronik für die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst eine Verstärkungseinrichtung 60, eine Offset-Kompensationseinrichtung 65, wobei jedoch in 9 die Offset-Kompensationsspannung 650 der Einfachheit halber nicht dargestellt wurde, und eine Filtereinrichtung 70, an deren Ausgang das Nutzsignal 700 gegenüber der Masse 698 anliegt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist es bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 jedoch vorgesehen, dass der Heizstrom 300 durch die Heizeinrichtung 30 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur geregelt wird. Hierzu ist bei der zweiten Ausführungsform der Umgebungstemperaturfühler 50 vorgesehen, der in 9 mit einem Messwandler 55 verbunden ist, der das Signal des Umgebungstemperaturfühlers 50 in ein Steuersignal 320 wandelt, welches der Anpassung des Heizstromes 300 an die jeweilige Umgebungstemperatur dient. Hierzu wird das Steuersignal 320 einer Heizstromregeleinrichtung 32 zugeführt, welche in Abhängigkeit des Steuersignals 320 den Heizstrom 300 durch die Heizeinrichtung 30 regelt. Hierbei wirkt das Steuersignal 320 insbesondere auf die steuerbare Konstantstromquelle 301 ein. Das Steuersignal 320 ist ein vorn Messwandler und dem Umgebungstemperaturfühler erzeugtes Signal, das die Beheizung des Sensorelements so anpasst, dass die Stoßempfindlichkeit in einem weiten Umgebungstemperaturbereich gleich bleibt. Es ist bei der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 zu beachten, dass der Heizstrom 300 im Hinblick auf die für die Detektion des Bewegungszustands der Sensoranordnung 1 relevanten Zeitskalen nach wie vor konstant ist, auch wenn er in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur geregelt wird. Es ist nämlich so, dass die Zeitkonstanten zur Änderung der Umgebungstemperatur und damit auch die Zeitkonstanten zur Einstellung bzw. zur Änderung des Heizstromes 300 sehr viel länger bzw. größer sind als die Zeitkonstanten zur Detektion einer Bewegung des Fluids relativ zu dem erfindungsgemäßen Heizelement 30. Daher kann der Heizstrom 300 auch bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung hinsichtlich der Messung der Bewegung des Fluids als Konstant angesehen werden.
  • In 10 ist eine Auswerteelektronik zur Verwendung mit der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung dargestellt. Durch die Heizeinrichtung 30 fließt wiederum der Heizstrom 300 und der Widerstandswert 310 der Heizeinrichtung 30 ist abhängig von der Temperatur des Fluids. Durch die galvanische Trennung zwischen der Heizeinrichtung 30 und dem Temperaturmessmittel in Form eines Thermoelements 31 dient als Eingang der Auswerteelektronik gemäß der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung das Temperatursignal 315 welches in einer Verstärkereinrichtung 60 verstärkt wird, in einer Offset-Kompensationseinrichtung 65 mittels einer Offset-Kompensationsspannung 650 Offset korrigiert wird und in einer Filtereinrichtung 70 gefiltert wird um das Nutzsignal 700 zu erzeugen. Auch bei der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist die Auswerteelektronik so vorgesehen, dass die Heizeinrichtung 30 mit einem konstanten Heizstrom 300 bzw. alternativ einer konstanten Spannung oder einer konstanten Leistung betrieben wird. Das Thermoelement 31 liefert immer eine temperaturabhängige Spannung 315 als Temperatursignal 315. Für die Erzeugung des Ausgangssignals 700 bzw. Nutzsignals 700 wird die temperaturabhängige Spannung 315 verstärkt, Offset-korrigiert und gefiltert.
  • In 13 ist eine weitere Aufbauvariante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 in perspektivischer Darstellung dargestellt. Hierbei ist wiederum eine Kaverne 20 in einem Substrat 10 vorgesehen, wobei eine Heizeinrichtung 30 im thermischen Kontakt mit dem sich insbesondere in der Kaverne 20 befindenden Fluid steht. Eine Membran zwischen der Heizeinrichtung 30 und der Kaverne ist in der weiteren Aufbauvariante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 nicht vorgesehen. Der Sensor 1 kann damit auch aus einem Substrat 10 bzw. Siliziumsubstrat 10 bestehen, in welches die Kaverne 20 so eingeätzt wird, dass über der Kaverne 20 freihängend ein temperaturabhängiger Widerstand als Heizeinrichtung 30 in Mäander- oder in Schneckenform stehen bleibt. Dadurch verringert sich die thermische Masse des Widerstands 30 gegenüber der ersten, zweiten und dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, welche eine Membran 25 aufweisen. Das Weglassen der Membran führt zu einer geringeren thermischen Zeitkonstante und damit zu einer höheren Empfindlichkeit des Sensors 1. In 13 ist, wie in den vorhergehenden Figuren auch, ein Bondpad 36 und eine Zuleitung 35 für die Heizeinrichtung 30 dargestellt.
  • In 14 ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 dargestellt, wobei wiederum ein Substrat 10 und eine Membran 25 vorgesehen sind, wobei auf der Membran 25 bei der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 eine Mehrzahl von Heizeinrichtungen 30, 29, 28, 27 vorgesehen sind. Jeder der Heizeinrichtungen 27 bis 30 weist jeweils zwei Bondpads und entsprechende Zuleitungen für ihre elektrische Verbindung auf. Dies ist für die erste Heizeinrichtung 30 beispielhaft mittels des Bondpads 36 und der Anschlussleitung 35 in 14 dargestellt.
  • Bei der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es durch den Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Widerstandswerte der Heizeinrichtung 27 bis 30 möglich, auf die Stoßrichtung zu schließen. Hierzu ist es notwendig, dass jeder der Heizeinrichtungen 27 bis 30 mit einer Auswerteelektronik gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsform verbunden sind. Dann kann anhand der zeitlichen Lage der Signale der unterschiedlichen Heizeinrichtungen 27 bis 30 und ihren Amplituden die Stoßrichtung und die Stoßintensität gemessen werden.
  • In 16 sind beispielhaft vier Darstellungen des zeitlichen Verlaufs der Nutzsignale der den Heizeinrichtungen 27 bis 30 zugeordneten aber nicht dargestellten Auswerteelektroniken dargestellt. Hierbei ist in der ersten Darstellung das Nutzsignal 700 der Heizeinrichtung 30 dargestellt. In der zweiten Darstellung in 16 ist das Nutzsignal 729 der ersten weiteren Heizeinrichtung 29 dargestellt. In der dritten Darstellung ist das Nutzsignal 728 der zweiten weiteren Heizeinrichtung 28 dargestellt. In der vierten. Darstellung ist das Nutzsignal 727 der dritten weiteren Heizeinrichtung 27 dargestellt. Die in 16 dargestellten Signale entsprechend vom Prinzip her den in den 11 und 12 dargestellten Signale, wobei jedoch eine Vorzeichenänderung durchgeführt wurde. Die Signale 700, 729, 728, 727 haben in dieser Reihenfolge einen gewissen zeitlichen Abstand. Weiterhin sind die Signale 700 und 729 von einer größeren Amplitude als die Signale 728 und 727. Aus der zeitlichen Lage der Signale 700, 729, 728, 727 zueinander und der Impulshöhe bzw. der Signalamplitude kann auf die Stoßrichtung und die Stoßintensität geschlossen werden.
  • In 15 ist eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsaufbaus 1 dargestellt. Auf der Membran 25 ist die Heizeinrichtung 30 und die erste weitere Heizeinrichtung 29 vorgesehen, die jeweils mittels Leitungen und Bondpads elektrisch verbindbar sind, was für das Beispiel der Heizeinrichtung 30 und der dazugehörenden Verbindungsleitung 35 bzw. des zugehörenden Bondpads 36 explizit in 15 dargestellt ist. Die Heizeinrichtung 30 und die erste weitere Heizeinrichtung 29 stellen zwei thermisch sehr eng gekoppelte Heizwiderstände dar, die sich quasi immer auf derselben Temperatur befinden. Werden diese im gegenüberliegenden Zweigen einer Wheatstoneschen Brücke angeordnet, so lässt sich ein erhöhtes Messsignal erzeugen, welches mit einem Verstärker verstärkt werden kann.
  • In 17 ist eine Auswerteelektronik zur fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung dargestellt. Der Widerstandswert der Heizeinrichtung 30 ist mit dem Bezugszeichen 310 versehen und der Widerstandswert der ersten weiteren Heizeinrichtung 29 ist mit dem Bezugszeichen 290 versehen. Zusammen mit einem siebten Widerstand 294 und einem dritten regelbaren Widerstand 295 bilden die beiden Widerstandswerte 310, 290 der Heizrichtungen 30, 29 eine Wheatstonesche Brücke, wobei der zwischen dem dritten regelbaren Widerstand 295 und dem Widerstandswert 310 liegende Abgriff dem invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers 602 zugeführt wird und wobei der zwischen dem Widerstandswert 290 der ersten weiteren Heizeinrichtung 29 und dem siebten Widerstand 294 gelegene Abgriff der Wheatstoneschen Brücke an den nicht invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers 602 geführt wird. Der dritte Operationsverstärker 602 dient in 17 entsprechend dem Verstärker 60 aus den in den 9 und 7 dargestellten Auswerteelektroniken zu den ersten und zweiten Ausführungsformen der Erfindung. Anstelle des in den 7 und 9 bei den Auswerteelektroniken zur ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellten Filters 70 ist in 17 mit dem Bezugszeichen 71 ein Tiefpassfilter dargestellt, welcher dazu dient, das Nutzsignal 700 Band-zu-begrenzen, was einer Verringerung des Rauschanteils und eine Erhöhung des Signalrauschverhältnisses dient. Alternativ zu der Verwendung eines Tiefpasses 71 kann als Filter 70 in 17 auch ein Bandpassfilter 72 für die Filterung 70 eingesetzt werden, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, Offsetspannungen und langsame Driften des Signals, z. B. aufgrund von Temperaturänderungen, zu eliminieren. Durch die Verwendung der Widerstandswerte 310, 290 der Heizeinrichtungen 30, 29 in gegenüberliegenden Zweigen einer Wheatstoneschen Brücke lässt sich ein erhöhtes Messsignal erzeugen, welches mittels eines Verstärkers 60 verstärkt wird. Mit dem dritten veränderlichen Widerstand 295 kann die Wheatstonesche Brücke abgeglichen werden.
  • Bei der Verwendung einer Sensoranordnung mit mehreren Heizeinrichtungen 30, 29, 28, 27 auf der Membran 25 ist es erfindungsgemäß möglich, einer dieser Heizeinrichtungen 27 bis 30 für die Erzeugung eines gezielten Temperatursprungs zu verwenden, in dem dieser Widerstand impulsartig bestromt wird. So lässt sich ein Temperaturpuls erzeugen, der mit den anderen als Temperaturmessmittel vorgesehenen Heizeinrichtungen, welche sich auf der Membran 25 befinden, gemessen werden kann. So ist die Durchführung eines Selbsttests des Sensors 1 möglich. Die Unterscheidung des Selbsttestpulses von einer Beschleunigung ist anhand der Richtung der Widerstandsänderung möglich. Bei einer Beschleunigung kühlt der Widerstand kurzfristig ab, während bei einem Selbsttest eine kurzzeitige Erwärmung auftritt.
  • Für alle Ausführungsformen der Erfindung gilt, dass die Empfindlichkeit des Sensors 1 durch die Verwendung als Fluid von anderen Füllgasen als Luft oder durch die Verwendung unterschiedlicher Fülldrücke des den Sensor umgebenden Gases beeinflusst werden kann. Von Bedeutung ist dabei sowohl die Dichte des verwendeten Gases als auch dessen Wärmekapazität. Der Sensor kann so fiir verschiedene Messbereiche eingestellt werden.

Claims (7)

  1. Sensor (1) mit einer Heizeinrichtung (30) wobei der Sensor (1) zur Messung der Bewegung eines Fluids relativ zu der Heizeinrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturmessmittel (30, 31) derart vorgesehen sind, in Abhängigkeit der Bewegung des Fluids die Temperatur des Fluids an einem Messort zu messen, wobei als Messort der Ort der Heizeinrichtung (30) oder ihre unmittelbare Nähe vorgesehen ist.
  2. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperaturmessmittel der elektrische Widerstand der Heizeinrichtung (30) und eine Beschattung der Heizeinrichtung vorgesehen ist.
  3. Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschattung der Heizeinrichtung (30) derart vorgesehen ist, dass die Heizeinrichtung (30) zum Betrieb mit einem konstanten Strom (300) oder einer konstanten Spannung oder einer konstanten Leistung vorgesehen ist.
  4. Sensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Umgebungstemperaturfühler (50) umfasst, wobei die Beschattung der Heizeinrichtung (30) derart vorgesehen ist, dass die Heizeinrichtung (30) zum Betrieb mit einem hinsichtlich der Messung der Bewegung des Fluids konstanten Strom (300) oder einer hinsichtlich der Messung der Bewegung des Fluids konstanten Spannung oder einer hinsichtlich der Messung der Bewegung des Fluids konstanten Leistung vorgesehen ist, wobei jedoch der Strom oder die Spannung oder die Leistung in Abhängigkeit eines Signals des Umgebungstemperaturfühlers (50) vorgesehen ist.
  5. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperaturmessmittel ein Thermoelement (31) vorgesehen ist, wobei das Thermoelement am Ort der Heizeinrichtung (30) oder in ihrer unmittelbaren Nähe vorgesehen ist.
  6. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Heizeinrichtungen (27 bis 30) und eine Mehrzahl von Temperaturmessmitteln (27 bis 31) vorgesehen ist, wobei als die Mehrzahl der Temperaturmessmittel der elektrische Widerstand jeweils einer der Mehrzahl von Heizeinrichtungen (27 bis 30) und jeweils eine Beschattung vorgesehen ist.
  7. Verfahren zur Messung der Bewegung eines Fluids relativ zu einer Heizeinrichtung (30), wobei in dem Fluid ein Temperaturgradient erzeugt wird, wobei ein Temperaturmessmittel (30, 31) zur Messung der Temperatur des Fluids in Abhängigkeit der Bewegung des Fluids an einem Messort verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperaturmessmittel (30, 31) der elektrische Widerstand der Heizeinrichtung (30) verwendet wird oder das als Temperaturmessmittel (30, 31) ein Thermoelement in (31) verwendet wird, wobei als Messort der Ort der Heizeinrichtung (30) oder ihre unmittelbare Nähe vorgesehen ist.
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