-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung betrifft einen Beschleunigungsschalter, insbesondere zur
Messung eines Aufpralls eines Kraftfahrzeugs, mit einem Feder-Masse-System,
das zumindest eine Feder und zumindest eine seismische Masse aufweist,
mit einem Kontaktblock, der mit der seismischen Masse elektrisch schaltend
zusammenwirkt, und mit kammförmigen, ineinandergreifenden
Elektroden, die teilweise an der seismischen Masse und teilweise
an einem feststehenden Lagerblock angeordnet sind.
-
Ein
derartiger Beschleunigungsschalter ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 41 26 107 C2 bekannt.
Die als Stäbe
ausgebildeten Federn, an denen die seismische Masse aufgehängt ist,
sind gekrümmt
ausgebildet, um das System in eine stabile Ausgangslage zu zwingen.
Durch eine S-förmige Biegung
dieser Federn soll in der Auslenkungslage erreicht werden, daß die seismische
Masse gegen den Kontaktblock gedrückt wird, um somit ein Prellen des
Sensors zu verringern. Mit Hilfe der Krümmung wird des weiteren erreicht,
daß zunächst eine
definierte Kraft erreicht sein muß, bevor die seismische Masse
aus der Ausgangslage in die Auslenkungslage wechselt.
-
Ein
Problem dieses Beschleunigungsschalters liegt darin, daß das Vorsehen
der Schaltschwelle (im folgenden als Instabilität bezeichnet) im wesentlichen
mechanisch erreicht wird. Dies führt
jedoch zu starken Temperaturabhängigkeiten
beziehungsweise einem starken Temperaturdrift. Um einen stabilen Schaltpunkt
zu erreichen, müssen
sehr kleine Toleranzen eingehalten werden, was zu hohen Fertigungskosten
führt.
Des weiteren ist es nur mit hohem technologischem Aufwand möglich, Schalter
mit übereinstimmenden
Eigenschaften herzustellen.
-
Die
Offenlegungsschrift
DE
44 32 837 A1 zeigt einen kapazitiv arbeitenden Beschleunigungsmesser
mit verschiedenen feststehenden und beweglichen Elektroden. Die
Beschleunigung einer seismischen Masse wird durch Änderung
der Kapazität
gegenüberliegender
Kondensatorplatten gemessen.
-
Vorteile der Erfindung
-
Der
Beschleunigungsschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, daß er
temperaturstabil arbeitet, so daß Fertigungstoleranzen die
Funktion des Bauteils lediglich in geringem vertretbarem Umfang
beeinträchtigen. Dies
wird dadurch erreicht, daß die
Instabilität
elektrisch erzielt wird, indem elektrostatische Anziehungskräfte zwischen
den Elektroden ausgenutzt werden, die seismische Masse in der Auslenkungslage
zu halten. Durch eine äußere Beschleunigung wird
die seismische Masse ausgelenkt, so daß deren senkrecht zur Beschleunigungsrichtung
verlaufenden Elektroden sich – in
Beschleunigungsrichtung gesehen – gegenüberliegenden Elektroden des
feststehenden Lagerblocks nähern,
wobei es zu einer Mitkopplung der elektrostatischen Kraft kommt.
Wird diese elektro statische Kraft größer als die Rückstellkraft
der Feder, kommt es zum elektrostatischen Kollaps. Die seismische
Masse schlägt
dabei am Kontaktblock an, so daß der
Schalter geschlossen wird.
-
Vorzugsweise
wird an die Elektroden eine Spannung angelegt. Dies hat den Vorteil,
daß die Schaltschwelle
sehr einfach durch die angelegte Spannung einstellbar ist.
-
Vorzugsweise
ist die Ausgangslage so gewählt,
daß die
Elektroden der seismischen Masse jeweils zu den beiden gegenüberliegenden
Elektroden des feststehenden Lagerblocks gleichen Abstand aufweisen.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird die Ausgangslage jedoch so gewählt, daß die Elektroden
der seismischen Masse zu den gegenüberliegenden Elektroden einer
Seite einen geringeren Abstand aufweisen als zu denjenigen der anderen
Seite. Damit ist es zusätzlich
in vorteilhafter Weise möglich,
den Beschleunigungschalter durch Anlegen einer Spannung zu testen,
wobei durch elektrostatische Kräfte
eine Anziehung der Elektroden und damit eine Verlagerung der seismischen
Masse erfolgt.
-
Ein
weiterer Vorteil der Anordnung der Elektroden senkrecht zur Beschleunigungsrichtung
ist darin zu sehen, daß beim
Schließen
des Beschleunigungsschalters neben einer Luftdämpfung eine Quetsch-Film-Dämpfung der Struktur gegeben
ist, was zu einer Entprellung des Schalters führt.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
-
Zeichnung
-
Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
Dabei zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung eines Beschleunigungsschalters gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
und
-
2 eine
schematische Darstellung eines Beschleunigungsschalters gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel.
-
Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist
ein schematisches Design eines Beschleunigungsschalters 1 in
Oberflächenmikromechanik
dargestellt. Derartige auf einem Substrat aufgebrachte Beschleunigungsschalter
werden zur Erfassung von Beschleunigungen im Bereich von 1-50 g
beispielsweise in aktiven und passiven Rückhaltesystemen von Kraftfahrzeugen
eingesetzt. Selbstverständlich
sind neben dem Kraftfahrzeug auch andere Einsatzgebiete denkbar.
-
Der
Beschleunigungsschalter 1 selbst weist ein Feder-Masse-System
auf, das eine seismische Masse 3 und Federn 5 umfaßt. Die
seismische Masse 3 ist stabförmig ausgebildet und an deren
beiden Enden 7 an den Federn 5 verlagerbar aufgehängt. Die
Federn 5 sind als Federstäbe ausgebildet und erstrecken
sich senkrecht zur Längsachse
der seismischen Masse 3. Die beiden Federstäbe 5 sind
an ihren Längsenden 9 an
Enden von Schenkeln 11 eines auf einem Substrat ortsfest
angeordneten U-förmigen
Lagerblocks 13 angebracht.
-
Die 1 läßt deutlich
erkennen, daß die beiden
Längsenden 7 der
seismischen Masse 3 jeweils mittig an den Federstäben 5 angebracht
sind. Damit läßt sich
die seismische Masse 3 in deren Längsrichtung gegen eine durch
Biegung der Federstäbe 5 hervorgerufene
Rückstellkraft
auslenken. Zur Messung einer Beschleunigung wird der Beschleunigungsschalter 1 derart
angeordnet, daß die
Längsachse
der seismischen Masse 3 mit der Richtung der zu detektierenden
Beschleunigung (Pfeil B) übereinstimmt.
Selbstverständlich
ist es auch möglich,
jeden der beiden Federstäbe 5 zweiteilig
auszubilden, so daß ein
Ende 7 der seismischen Masse 3 mit den beiden
innenliegenden Enden der beiden Federstäbe verbunden ist.
-
Zur
Detektion einer Beschleunigung weist der Beschleunigungsschalter 1 einen
ortsfest auf dem Substrat angeordneten Kontaktblock 15 auf. Dieser
ist innerhalb einer von den beiden Schenkeln 11, dem Federstab 5 und
einer Grundseite 17 des Lagerblocks 13 begrenzten
Fläche 19 angeordnet.
Der Kontaktblock 15 weist – in Draufsicht – eine bogenförmige Fläche 21 auf,
die mit Abstand einem Ende 7 der seismischen Masse 3 zugewandt
ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
fällt die
Längsachse
der seismischen Masse 3 mit dem Radius dieser bogenförmigen Fläche 21 zusammen.
-
Der
erwähnte
Abstand zwischen dem Ende 7 der seismischen Masse 3 und
der Fläche 21 des Kontaktblocks 15 wird
so gewählt,
daß das
Ende 7 bei überschreiten
eines bestimmten vorgegebenen Beschleunigungswerts bedingt durch
die Auslenkung am Kontaktblock 15 anschlägt.
-
Dieser
Anschlag läßt sich
dann erfassen, wenn ein Potential an die seismische Masse 3,
beispielsweise im Bereich von 5-6 V, angelegt wird. Beim Anschlag
der seismischen Masse am Kontaktblock 15 ist dieses Potential
als Signalspannung USignal am Kontaktblock 15 abgreifbar.
Voraussetzung hierfür
ist jedoch, daß zumindest
die seismische Masse 3 und der Kontaktblock 15 aus
einem elektrisch leitfähigen
Material gefertigt sind.
-
Zur
Dämpfung
der seismischen Masse 3 sind an dieser gleichmäßig zueinander
beabstandete längliche
Elektroden 23 vorgesehen. Die Elektroden 23 erstrecken
sich senkrecht zur Längsachse
der seismischen Masse 3 und sind – bezüglich der Zeichenebene – an der
oberen Seite 25 und der unteren Seite 27 der seismischen
Masse 3 angebracht. Wie die seismische Masse 3 selbst
sind auch diese Elektroden aus einem elektrisch leitfähigen Material
hergestellt.
-
In
die Elektrodenzwischenräume 29 dieser kammartigen
Elektroden-Struktur ragen Elektroden 31 hinein, die an
ihrem der seismischen Masse 3 gegenüberliegenden Ende 33 an
einem ortsfest auf dem Substrat vorgesehenen Lagerblock 35 angebracht
sind. Diese Elektroden 31 erstrecken sich folglich ebenfalls
senkrecht zur Längsachse
der seismischen Masse 3 und sind im gleichen Abstand zueinander
wie die Elektroden 23 der seismischen Masse 3 angeordnet.
-
In
der in 1 gezeigten Ausgangslage des Beschleunigungsschalters 1 sind
die Federstäbe 5 im
wesentlichen entspannt und halten die seismische Masse 3 so,
daß der
Abstand einer Elektrode 23 zu den beiden gegenüberliegenden
Elektroden 31 gleich ist; die Elektroden 23 liegen
also in der Mitte zwischen den benachbarten Elektroden 31.
-
An
die Elektroden 23 der seismischen Masse 3 wird
ein erstes und an die Elektroden 31 der Lagerblöcke 35 ein
zweites Potential angelegt, so daß sich eine Spannung zwischen
benachbarten Elektroden, die im folgenden als UHysterese bezeichnet
wird, ausbildet.
-
2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
Beschleunigungsschalters 1, der sich jedoch nur unwesentlich
von jenem des ersten Ausführungsbeispiels
unterscheidet. Aus diesem Grund werden mit dem ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmende
Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und auf eine nochmalige
Beschreibung verzichtet.
-
Im
Gegensatz zu dem Beschleunigungsschalter gemäß 1 ist die
seismische Masse 3 in der gezeigten Ausgangslage gegenüber dem
Lagerblock 35 so justiert, daß der Abstand der Elektroden 23 zu
jenen Elektroden 31, die in Richtung des Kontaktblocks 15 gegenüber liegen,
also in der 2 rechts von den Elektroden 23,
geringer ist als der Abstand zu den anderen gegenüberliegenden
Elektroden.
-
Des
weiteren ist an die Elektroden 23, 31 eine Spannung
UTest angelegt. Sie wird zum Testen des
Beschleunigungsschalters 1 während eines Testzyklus benutzt.
Während
des Arbeitszyklus liegt jedoch ebenfalls die Vor- oder Hysteresespannung UHysterese an.
-
Im
folgenden wird nun die Funktion der beiden Beschleunigungsschalter 1 erläutert.
-
Wie
bereits erwähnt,
sind die Federstäbe 5 des
Beschleunigungsschalters 1 gemäß 1 in der stabilen
Ausgangslage im wesentlichen entspannt. Durch Anlegen einer Spannung
UHysterese bilden sich zwischen benachbarten
Elektroden elektrostatische Kräfte
aus, die sich jedoch aufgrund der symmetrischen Ausrichtung der
Elektroden gegenseitig aufheben, so daß eine stabile Ausgangslage
erhalten bleibt.
-
Erfährt der
Beschleunigungsschalter 1 eine Beschleunigung, verlagert
sich die seismische Masse 3, so daß die Elektroden 23 aus
der in 1 gezeigten Mittellage herauswandern. Dabei steigt
die elektrostatisch verursachte Anziehungskraft zwischen den Elektroden 23 und
den in Bewegungsrichtung der seismischen Masse 3 liegenden
benachbarten Elektroden 31 aufgrund des geringerwerdenden Abstandes
stetig an, während
die Anziehungskraft zu den anderen benachbarten Elektroden aufgrund
des größerwerdenden
Abstandes stetig sinkt. Überscheitet
die Beschleunigung einen vorgebbaren Wert, wird das Kräfteungleichgewicht
so groß,
daß die
Anziehungskraft zwischen benachbarten Elektroden dafür sorgt,
daß die
seismische Masse 3 gegen die Fläche 21 des Kontaktblocks 15 gedrückt wird.
Damit schließt
sich ein zwischen Kontaktblock 15, seismischer Masse 3 und
beispielsweise Lagerblock 13 ausgebildeter Stromkreis,
so daß ein
Signal USignal abtastbar ist. Die Spannung
UHysterese sorgt dafür, daß auch nach Verringerung oder
Wegfall der Beschleunigungswirkung die seismische Masse 3 ausgelenkt und
der Schalter damit geschlossen bleibt. Erst durch Abschalten der
Spannung UHysterese läßt sich die seismische Masse
aus der Auslenkungslage wieder durch Wirkung der Federrückstellkräfte in die
Ausgangslage bringen.
-
Mit
Hilfe der Spannung UHysterese ist es möglich, eine
Schaltschwelle des Schalters einzustellen, was bisher im Stand der
Technik nur durch entsprechende Dimensionierung der Federn realisierbar
war.
-
Der
in 2 gezeigte Beschleunigungsschalter arbeitet in
gleicher Weise wie der zuvor beschriebene Beschleunigungsschalter 1 gemäß 1.
Allerdings wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Spannung
UHysterese im Arbeitszyklus zur Einstellung
einer Schaltschwelle und eine Spannung UTest im
Testzyklus angelegt. Auch hier wird die seismische Masse 3 bedingt
durch zwischen benachbarten Elektroden 23, 31 wirkende
elektrostatische Anziehungskräfte
gegen den Kontaktblock 15 gedrückt und in dieser Position
gehalten (elektrostatischer Kollaps), wenn ein bestimmter Beschleunigungswert überschritten
wurde. Erst durch Abschalten der Spannung zwischen den Elektroden
läßt sich
die seismische Masse 3 wieder in ihre Ausgangslage bringen.
-
Die
unsymmetrische Anordnung der Elektroden 23 der seismischen
Masse 3 bezüglich
der Elektroden 31 ermöglicht
einen Test des Beschleunigungsschalters 1. Hierzu wird
eine Spannung UTest an die Elektroden 23, 31 gelegt.
Die sich ausbildenden elektrostatischen Kräfte, die bei geringem Abstand der
Elektroden größer sind
als bei größerem Abstand,
sorgen dafür,
daß die
seismische Masse 3 in Richtung des Kontaktblocks 15 verlagert
wird und an der Kontaktfläche 21 anschlägt.
-
In
beiden Ausführungsbeispielen
ist sicherzustellen, daß der
Abstand des Endes 7 der seismischen Masse 3 zu
der Fläche 21 des
Kontaktblocks 15 in der Ausgangslage so gewählt wird,
daß sich
benachbarte Elektroden 23, 31 bei geschlossenem Schalter,
das heißt
bei Anschlag des Endes 7 an der Fläche 21 nicht berühren, um
ein Verkleben der Elektroden zu vermeiden.
-
Die
senkrecht zu der zu dektierenden Beschleunigungsrichtung angeordneten
Elektroden 23 der seismischen Masse 3 haben den
Vorteil, daß bedingt
durch eine Luftdämpfung
der Schalter eine gewisse Entprellung erfährt. Zusätzlich wird beim Schließen des
Schalters bedingt durch die Elektrodenanordnung eine Quetsch-Film-Dämpfung erzielt, die
zu einer weiteren Entprellung führt.
-
Selbstverständlich ist
auch eine Kombination der beiden vorgenannten Ausführungsformen
möglich
derart, daß der
Beschleunigungsschalter gemäß 1 zusätzlich eine
Kammstruktur gemäß 2 aufweist,
um somit auch einen Test des Schalters zu ermöglichen.
-
Wie
bereits erwähnt,
sind die Designs der beiden beschriebenen Beschleunigungsschalter
in Oberflächenmikromechanik
ausgeführt.
Die realisierbaren Schaltströme
liegen im Milliamper-Bereich, so daß eine sehr hohe EMV (elektromagnetische
Verträglichkeit)-Sicherheit
gewährleistbar
ist. Die Empfindlichkeit der beiden Beschleunigungsschalter gegenüber sogenannten "out of plane"-Beschleunigungen
läßt sich
durch ein Aspektverhältnis
der Federstabhöhe
zur Federstabbreite von ca. 5:1 um etwa den Faktor 100 kleiner als
gegenüber
der auszuwertenden Beschleunigung machen. Darüber hinaus lassen sich zwischen
den Verankerungen der ortsfest angebrachten Komponenten und dem
Substrat schmale Verbindungsstücke
zur Entkopplung von mechanischen Spannungen einbauen.
-
Darüber hinaus
ist es möglich,
die vorgenannten Beschleunigungsschalter in additiver Mikrogalvanik-Technik mit anderen
Sensoren (zum Beispiel Beschleunigungssensor) und einer Auswerteschaltung
auf einem Chip zu integrieren.