DE19653115B4

DE19653115B4 - Zündeinheit für eine Fahrzeug-Sicherheitsvorrichtung

Info

Publication number: DE19653115B4
Application number: DE1996153115
Authority: DE
Inventors: Thomas Görnig; Hans-Peter Ruge
Original assignee: Autoliv Development AB
Current assignee: Autoliv Development AB
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2016-12-20
Also published as: DE19653115A1

Abstract

Zündeinheit (1) zum Zünden eines pyrotechnischen Treibsatzes (25) zum Auslösen von mindestens einer Sicherheitsvorrichtung eines Fahrzeugs bei einem Aufprall,
mit einem Elektrozünder (2), mit einem Energiespeicher (3) und mit einer Verriegelungseinheit (7), wobei
alle Teile der Zündeinheit (1) auf einem Halbleiter-Chip integriert sind,
der Energiespeicher (3) aus Halbleiter-Kondensatoren besteht,
die Verriegelungseinheit (7) den Energiespeicher (3) gegenüber dem Elektrozünder (2) verriegelt und aufgrund eines Entriegelungssignals (13) eine Entladung des Energiespeichers (3) über den Elektrozünder (2) bewirkt, und
auf dem Halbleiter-Chip eine Recheneinheit (8) mit einem Halbleiter-Speicher (10) sowie eine Temperatur-Meißeinheit (11) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündeinheit zum Zünden eines pyrotechnischen Treibsatzes, vorzugsweise zum Auslösen von mindestens einer Sicherheitsvorrichtung eines Fahrzeuges bei einem Aufprall.
Zündeinheiten zum Zünden eines pyrotechnischen Treibsatzes werden in Fahrzeugen eingesetzt, um bei einem Unfall aktive Sicherheitsvorrichtungen zum Schutze der Insassen auszulösen. Solche Sicherheitsvorrichtungen können zum Beispiel Airbags oder Gurtstraffersysteme sein. Das Auslösen einer Sicherheitsvorrichtung geschieht dabei durch einen Elektrozünder, der einen pyrotechnischen Treibsatz innerhalb eines Gasgenerators zündet. Der Elektrozünder ist dabei mit einem Energiespeicher verschaltet, wobei der Energiespeicher gegenüber dem Elektrozünder durch eine Verriegelungseinheit verriegelbar ist. Im Fall eines Aufpralls sendet ein Crashdetektor ein Entriegelungssignal an die Verriegelungseinheit und bewirkt dadurch, daß sich die in dem Energiespeicher gespeicherte Energie über den Elektrozünder entladen kann.

Herkömmliche Zündeinheiten werden bisher weitgehend unabhängig von der Bordelektronik des Fahrzeugs mit einem eigenständigen Crashdetektor betrieben. Im Zuge der bereits eingesetzten Bussysteme für verteilte Elektronikkomponenten auf einem Fahrzeug ist es allerdings wünschenswert, auch eine Zündeinheit über ein Fahrzeug-Bussystem zu betreiben. Hierzu ist es aus der europäischen Patent schrift EP 0 471 871 B1 bereits bekannt einen zentralen Crashsensor mit einer entsprechenden Auswerteeinheit vorzusehen, wobei die Auswerteeinheit über eine digitale Datenschnittstelle mit den entsprechend verteilten Zündeinheiten verbunden ist. Im Falle eines Aufpralls wird von der Auswerteeinheit über die digitale Datenverbindung ein Entriegelungssignal an die Zündeinheit übertragen, das eine Entladung des in der Zündeinheit enthaltenen Kondensators über einen Elektrozünder bewirkt. Aus der europäischen Patentschrift EP 0 402 622 B1 ist es zusätzlich bekannt, das Entriegelungssignal in Form eines Codewortes zu senden, so daß eine unbeabsichtigte Auslösung der Zündeinheit weitestgehend vermieden wird.

Weiterhin ist es aus der EP 0 402 622 bekannt, einen gesteuerten Schalter und ein elektronisches Schloß auf einem gemeinsamen Halbleiter-Chip zu integrieren. Aus dem Artikel von K. Willis „An introduction to semiconductor initiation of electroexplosive devices", enthalten in „2. international symposium on sophisticated car occupant safety systems, airbag 2000, 1994, Karlsruhe, S. 42-1-42-9", ist es bekannt, als Zündelement eine Halbleiter-Brücke zu verwenden. In dieser Schrift wird zudem vorgeschlagen, andere Funktionen bzw. Komponenten in eine Halbleiter-Zündeinheit zu integrieren.

Ein Nachteil der bekannten Zündeinheiten besteht darin, daß die zur Integration in ein Bussystem benötigten Bauelemente verhältnismäßig kostenaufwendig sind. Außerdem werden im vorbekannten Stand der Technik keine weiteren sicherheitstechnischen Überlegungen angestellt. Insbesondere befaßt sich der Stand der Technik nicht mit dem Problem der Temperaturempfindlichkeit von Halbieiter-Elementen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Zündeinheit zu schaffen, die kostengünstig in ein digitales Bussystem integrierbar ist, und die weitere sicherheitstechnische Aspekte berücksichtigt.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst, also durch eine Zündeinheit zum Zünden eines pyrotechnischen Treibsatzes zum Auslösen von mindestens einer Sicherheitsvorrichtung eines Fahrzeuges bei einem Aufprall, mit einem Elektrozünder, mit einem Energiespeicher und mit einer Verriegelungseinheit, wobei alle Teile der Zündeinheit auf einem Halbleiter-Chip integriert sind, der Energiespeicher aus Halbleiter-Kondensatoren besteht, die Verriegelungseinheit den Energiespeicher gegenüber dem Elektrozünder verriegelt und aufgrund eines Entriegelungssignals eine Entladung des Energiespeichers über den Elektrozünder bewirkt, und auf dem Halbleiter-Chip eine Recheneinheit mit einem Halbleiter-Speicher sowie eine Temperatur-Meßeinheit vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Zündeinheit auf einem Halbleiterchip integriert ist. Die erfindungsgemäße Lösung basiert dabei auf der Erkenntnis, daß ein Elektrozünder nicht notwendigerweise aus einem konventionellen Schmelzleiter bestehen muß, sondern daß es auch möglich ist, den Zündeffekt durch eine mit Zündenergie beaufschlagte Stelle eines Halbleiterchips zu bewirken. Gegebenenfalls ist diese Stelle mit einer pyrotechnischen Hilfsladung umgeben, die eine Initialzündung des gesamten pyrotechnischen Treibsatzes hervorruft.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die erfindungsgemäße Zündeinheit einfach in bestehende Bussysteme eines Fahrzeugs integrierbar und gleichzeitig extrem kostengünstig herstellbar ist. Außerdem können auf dem Halbleiterchip auch zusätzliche Schaltungsfunktionen vorgesehen sein, die eine erweiterte Kommunikation über das Bussystem zulassen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Elektrozünder aus einer Halbleiterbrücke besteht, die die durch den Energiespeicher gelieferte Energie in thermische Energie umwandelt. Die Halbleiterbrücke könnte beispielsweise aus einer dünn geätzten Verbindung bestehen, die sich bei Beaufschlagung der im Energiespeicher gespeicherten Energie entsprechend erhitzt. Es ist auch denkbar, daß an den Halbleiterchip ein Hochstrom-Energiespeicher angeschlossen ist, der bei Entladung über die dünn geätzte Stelle eine derart hohe Erwärmung bewirkt, daß der Plasmaeffekt des Halbleitermaterials hervorgerufen wird. Hierdurch können auch Zündeinheiten auf einem Halbleiterchip geschaffen werden, die besonders hohe Zündtemperaturen voraussetzen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Elektrozünder aus einer Funkenstrecke besteht, über die bei Entladung des Kondensators eine Funkenentladung stattfindet. Gegebenenfalls ist es auch denkbar, bereits während der Herstellung des Halbleiterchips eine pyrotechnische Hilfsladung in die Funkenstrecke einzubringen. Hierdurch kann die erforderliche Zündenergie weiter herabgesetzt werden.

Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, daß der aus den Halbleiter-Kondensatoren bestehende Energiespeicher über einen Spannungsregler aufladbar ist, der ebenfalls auf dem Halbleiterchip integriert ist. Hierdurch kann die Ladespannung des Energiespeichers unabhängig von der Versorgungsspannung der Zündeinheit gehalten werden.

Die ebenfalls auf dem Halbleiterchip integrierte Verriegelungseinheit besteht vorzugsweise aus mindestens einem Schaltelement, das in Reihe mit dem Elektrozünder und dem Energiespeicher geschaltet ist. Zweckmäßigerweise ist das Schaltelement dabei durch ansteuerbare Halbleiter-Transistoren realisiert, die durch das Entriegelungssignal ansteuerbar sind. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Entriegelungssignal aus einem seriellen Codewort besteht, so daß eine fehlerhafte Auslösung der Zündeinheit ausgeschlossen werden kann.

Auf dem Halbleiterchip ist eine Recheneinheit mit einem Halbleiterspeicher vorgesehen. Da die unbedingt notwendigen Elemente zur Realisierung einer Zündeinheit ebenfalls in Halbleitertechnologie realisiert sind, können aus der Computertechnik bereits bekannte Recheneinheiten ohne großen zusätzlichen Aufwand ebenfalls auf dem Halbleiterchip integriert werden. Dies hat den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Zündeinheit zusätzlich mit intelligenten Funktionen versehen und entsprechend programmiert werden kann. Besonders zweckmäßig ist es, wenn durch die Recheneinheit sämtliche Funktionen auf dem Halbleiterchip steuerbar sind. Beispielsweise ist es denkbar, daß über ein auf dem Halbleiterchip integriertes Businterface eine bidirektionale Kommunikation mit einer zentralen Bordelektronik des Fahrzeugs durchgeführt wird. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Zündeinheit in regelmäßigen Abständen elektronischen Diagnosefunktionen unterworfen werden, um eine größtmögliche Funktionssicherheit zu gewährleisten.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß über das Businterface die Aufladung des Energiespeichers erfolgt. Hierdurch können weitere Anschlüsse an der Zündeinheit für eine Energieversorgung entfallen, außerdem werden die erforderlichen Zuleitungen für die Zündeinheit auf ein Minimum reduziert.

Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt:
1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Zündeinheit und
2 einen Schnitt durch eine Zündpille mit einer erfindungsgemäßen Zündeinheit.
1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Zündeinheit 1. Die Zündeinheit 1 besteht aus einem ASIC (Application-Specific Integrated Circuits), der auf einem Halbleiterchip integriert ist. Der Elektrozünder 2 besteht aus einer Halbleiterbrücke, die einen schmalen Steg aufweist, der bei Beaufschlagung der in dem Energiespeicher 3 gespeicherten Energie schmilzt und hierdurch eine die Halbleiterbrücke umgebende pyrotechnische Hilfsladung zündet. Der Elektrozünder 2 ist gegenüber dem Energiespeicher 3 durch die Verriegelungseinheit 7 verriegelbar. Aufgrund eines Entriegelungssignals 13 steuert die Verriegelungseinheit 7 ein Schaltelement 14 derart an, daß sich der Energiespeicher über die Halbleiterbrücke entladen kann.
Der Energiespeicher 3 besteht aus auf dem Halbleiterchip integrierten, Halbleiter-Kondensatoren und wird durch den Spannungsregler 4 während des Normalbetriebs auf einer bestimmten Ladespannung gehalten. Die Spannungsversorgung sowie die Informationsübertragung erfolgen über die Datenleitung 6, die an ein Businterface 5 der Zündeinheit angeschlossen ist. Das Businterface 5 gibt zum einen die über die Datenleitung 6 übertragene Energie an den Spannungsregler 4 weiter, zum anderen werden die digital codierten Daten einer Recheneinheit 8 zugeführt. Die Recheneinheit 8 steuert sämtliche Funktionen der Zündeinheit 1. An die Recheneinheit 8 sind in bekannter Weise ein Taktgenerator 9 sowie ein Halbleiterspeicher 10 angeschlossen. Zusätzlich empfängt die Recheneinheit Daten von einer Temperaturmeßeinheit 11, um temperaturempfindliche Kompenenten des Gasgenerators zu kompensieren. Außerdem ist eine Testeinheit 12 vorgesehen, die mit der Verriegelungseinheit 7 und mit dem Elektrozünder 2 in Verbindung steht, um in regelmäßigen Abständen dem Teststatus der Verriegelungseinheit 7 und des Elektrozünders 2 an die Recheneinheit 8 weiterzugeben.
Im normalen Fahrbetrieb steht die Zündeinheit 1 über die Datenleitung 6 mit der zentralen Bordelektronik des Fahrzeugs in Verbindung. Die zentrale Bordelektronik versorgt die Zündeinheit mit der zum Aufladen des Energiespeichers erforderlichen Energie und fragt zudem über die Recheneinheit 8 in regelmäßigen Abständen die von der Testeinheit 12 ermittelten Testergebnisse ab. Falls an dem Zündelement 1 z.B. eine unzulässige Temperaturerhöhung auftritt, meldet dies die Recheneinheit 8 über die Datenleitung 6 der zentralen Bordelektronik, woraufhin ein Warnsignal in dem Fahrzeuginnenraum ausgelöst wird.
Ein Aufprall des Fahrzeugs wird durch einen in der zentralen Bordelektronik integrierten Crashdetektor detektiert, woraufhin ein spezielles Codewort über die Datenleitung 6 an die Zündeinheit 1 gesendet wird. Das Codewort wird durch die Recheneinheit 8 mit einem in dem Halbleiterspeicher 10 abgespeicherten Codewort verglichen. Falls beide Codewörter übereinstimmen, löst die Recheneinheit 8 das Entriegelungssignal 13 aus, woraufhin durch die Verriegelungseinheit 7 eine Entriegelung des Elektrozünders erfolgt.
2 zeigt einen Schnitt durch eine Zündpille mit einer erfindungsgemäßen Zündeinheit. Die Zündeinheit 1 ist auf einer Trägerplatte 20 aufgebracht und mit aus der Zündpille 26 herausführenden Anschlußpins 22 durch Bonddrähte 21 verbunden. Die Anschlußpins 22 sind gegenüber dem Metallgehäuse 24 durch eine Isoliermasse 23 isoliert. Das Zündelement 1 ist unmittelbar umgeben von einer pyrotechnischen Hilfsladung 27, die beim Zünden der Halbleiterbrücke eine Initialzündung bewirkt, so daß der durch das Gehäuse 24 eingeschlossene pyrotechnische Treibsatz 25 seinerseits gezündet werden kann.

Claims

Zündeinheit (1) zum Zünden eines pyrotechnischen Treibsatzes (25) zum Auslösen von mindestens einer Sicherheitsvorrichtung eines Fahrzeugs bei einem Aufprall, mit einem Elektrozünder (2), mit einem Energiespeicher (3) und mit einer Verriegelungseinheit (7), wobei alle Teile der Zündeinheit (1) auf einem Halbleiter-Chip integriert sind, der Energiespeicher (3) aus Halbleiter-Kondensatoren besteht, die Verriegelungseinheit (7) den Energiespeicher (3) gegenüber dem Elektrozünder (2) verriegelt und aufgrund eines Entriegelungssignals (13) eine Entladung des Energiespeichers (3) über den Elektrozünder (2) bewirkt, und auf dem Halbleiter-Chip eine Recheneinheit (8) mit einem Halbleiter-Speicher (10) sowie eine Temperatur-Meißeinheit (11) vorgesehen ist.
Zündeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrozünder (2) aus einer Halbleiterbrücke besteht, die die durch den Energiespeicher (3) gelieferte Energie in thermische Energie umwandelt.
Zündeinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochstrom-Energiespeicher (3) vorgesehen ist, der bei Entladung den Plasma-Effekt des Elektrozünders (2) auf dem Halbleiter-Chip hervorruft.
Zündeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrozünder (2) aus einer Funkenstrecke besteht, über die bei Entladung des Energiespeichers (3) eine thermische Umwandlung stattfindet.
Zündeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiter-Chip ein Spannungsregler (4) vorgesehen ist, über den der Energiespeicher (3) aufladbar ist.
Zündeinheit nach einem der Anspüche 1 bis 5, dadurch geknnzeichnet, daß durch die Verriegelungseinheit (7) mindestens ein Schaltelement (14) betätigbar ist, das in Reihe mit dem Elektrozünder (2) und dem Energiespeicher (3) geschaltet ist.
Zündeinheit nach einem der Anspüche 1 bis 6, dadurch geknnzeichnet, daß das Entriegelungssignal (13) aus einem digitalen seriellen Codewort besteht.
Zündeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiter-Chip ein Businterface (5) vorgesehen ist, über das digitale Daten mit einem Bussystem austauschbar sind.
Zündeinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleiter-Chip eine Testeinheit (12) vorgesehen ist, durch die auf Anfrage über das Bussystem zumindest die Funktion des Elektrozünders (2) und der Verriegelungseinheit (7) überprüfbar ist.
Zündeinheit nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß über das Businterface (5) die Aufladung des Energiespeichers (5) erfolgt.