DE3918407A1 - Piezoelectric acceleration sensor esp. for safety devices - has switched capacitor between transducer and integrator to eliminate high impedance resistors - Google Patents
Piezoelectric acceleration sensor esp. for safety devices - has switched capacitor between transducer and integrator to eliminate high impedance resistorsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Beschleunigungssensor, insbesondere zur Auslösung von Insassenschutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a piezoelectric Accelerometer, especially for triggering Occupant protection devices in motor vehicles, according to the preamble of claim 1.
Ein solcher Beschleunigungssensor ist aus der DE-OS 33 34 603 bekannt. Ein Anschluß eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers wird hierbei über einen Widerstand mit einem Operationsverstärker verbunden, der über einen zweiten Widerstand rückgekoppelt wird, so daß das Ausgangssignal des Beschleunigungsaufnehmers aufintegriert wird. Erreicht das integrierte Signal einen bestimmten Schwellenwert, so wird die Schutzvorrichtung ausgelöst, wobei ggf. noch weitere Schaltungsteile vorgesehen sind, um zusätzliche bei einem Aufprall des Kraftfahrzeuges auf ein Hindernis kritische Parameter zu berücksichtigen.Such an acceleration sensor is known from DE-OS 33 34 603. A connector of a piezoelectric accelerometer is connected to an operational amplifier via a resistor, which is fed back via a second resistor, so that the Output signal of the accelerometer is integrated. If the integrated signal reaches a certain threshold value, then triggered the protective device, possibly other circuit parts are provided to additional in the event of an impact of the motor vehicle to consider critical parameters on an obstacle.
Der erste Widerstand hat bei den üblicherweise verwendeten piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern einen Widerstandswert, der typisch in der Größenordnung zwischen einem Gigaohm und zehn Gigaohm liegt. Da die Verstärkung V des Operationsverstärkers im wesentlichen von dem Verhältnis der Widerstandswerte des zweiten und des ersten Widerstandes abhängt und - andere Schaltungsteile vernachlässigt - zuThe first resistor has the most commonly used piezoelectric accelerometers have a resistance value that typically on the order of one gigaohm to ten gigaohms lies. Since the gain V of the operational amplifier is essentially different from that Ratio of the resistance values of the second and the first resistor depends and - neglected other circuit parts - too
V = 1 + R2/R1 V = 1 + R 2 / R 1
angegeben werden kann, muß der zweite Widerstand R2, d. h. der Integrationswiderstand einen noch größeren Widerstandswert als der erste Widerstand R1 aufweisen, wenn eine vernüftige Verstärkung gewünscht wird. Widerstände mit solch hohen Widerstandswerten sind jedoch relativ groß, so daß eine kompakte Konstruktion des Beschleunigungssensors verhindert wird. Bei dem heutigen und in Zukunft noch weiter steigenden Sicherheitsstandard für Kraftfahrzeuge werden jedoch Insassenschutzvorrichtung wie Luftkissen, Gurtstrammer etc. mit solchen Beschleunigungssensoren mehr und mehr eingesetzt, so daß Beschleunigungssensoren als Massenartikel zu betrachten sind. Eine kompakte Bauweise und wirtschaftliche Herstellung bei gleichzeitig hoher Funktionssicherheit ist somit anzustreben.can be specified, the second resistance R 2 , ie the integration resistance, must have an even greater resistance value than the first resistance R 1 if a reasonable gain is desired. However, resistors with such high resistance values are relatively large, so that a compact construction of the acceleration sensor is prevented. With today's and in the future increasing safety standard for motor vehicles, however, occupant protection devices such as air cushions, belt tensioners etc. with such acceleration sensors are being used more and more, so that acceleration sensors are to be regarded as mass-produced items. A compact design and economical production with a high level of functional reliability should therefore be aimed for.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor der in Rede stehenden Art so zu modifizieren, daß Widerstände mit hohen Widerstandswerten vermieden werden und der Beschleunigungssensor als mehr klein bauende Einheit hergestellt werden kann.The invention has for its object an acceleration sensor to modify the type in question so that resistors with high Resistance values are avoided and the acceleration sensor as more compact unit can be manufactured.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is according to the invention by the in the characterizing part of claim 1 specified features solved.
Der erste Widerstand wird demgemäß durch eine Schaltung aus einem ersten Kondensator und einem ersten Schalter ersetzt, so daß die Ladung des Beschleunigungsaufnehmers getaktet aufgenommen und an den Operationsverstärker weitergegeben wird. Ebenso wird bevorzugt auch der zweite Widerstand, d. h. der Integrationswiderstand durch eine Parallelschaltung aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Schalter ersetzt. Dieser zweite Schalter wird während der Integrationsphase offengehalten und nach deren Ende zum Rücksetzen des Operationsverstärkers geschlossen.The first resistor is accordingly a circuit of a first Capacitor and a first switch replaced so that the charge of the Accelerometer recorded and clocked to the Operational amplifier is passed. Likewise, the is also preferred second resistance, d. H. the integration resistance by a Parallel connection from a second capacitor and a second Switch replaced. This second switch is used during the Integration phase kept open and after its end to reset the Operational amplifier closed.
Die verwendeten Kondensatoren benötigen Kapazitätswerte von einigen Pikofarad, so daß der damit realisierte Beschleunigungssensor wesentlich kleiner gebaut werden kann als bisher. Typischerweise entsprechen Kapazitätswerte von 10 Pikofarad Widerstandswerten von etwa 15 Gigaohm bei herkömmlicher Bauweise mit Widerständen. The capacitors used require capacitance values of a few Picofarad, so that the acceleration sensor realized with it is essential can be built smaller than before. Typically match Capacitance values of 10 picofarads Resistance values of about 15 gigaohms with conventional construction with resistors.
Bevorzugt wird auch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers getaktet mit Hilfe eines dritten Schalters auf einen dritten Kondensator geleitet und dort für die einzelnen Integrationsphasen gespeichert.The output signal of the operational amplifier is also preferred clocked with the help of a third switch on a third capacitor managed and saved there for the individual integration phases.
Der Operationsverstärker und die Schalter werden bevorzugt in einem Halbleiterchip integriert, auf dem auch der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer befestigt ist. Die gesamte Anordnung aus Halbleiterchip und Beschleunigungsaufnehmer wird bevorzugt auf dem Sockel eines kleinen Gehäuses, z. B. in Form eines herkömmlichen Transistorgehäuses befestigt. Die Dicke des Sockels wird vorteilhaft wesentlich größer als diejenige des Halbleiterchips gewählt, einmal um die Schockresistenz des Beschleunigungssensors zu erhöhen, zum anderen, um die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors sehr hoch zu legen, so daß Störungen durch von außen induzierte mechanische Schwingungen verringert, bzw. praktisch ausgeschlossen werden.The operational amplifier and the switches are preferably in one Integrated semiconductor chip, on which also the piezoelectric Accelerometer is attached. The entire arrangement Semiconductor chip and accelerometer is preferred on the Base of a small housing, e.g. B. in the form of a conventional Fixed transistor housing. The thickness of the base becomes advantageous chosen much larger than that of the semiconductor chip, once around to increase the shock resistance of the acceleration sensor, on the other hand, to set the resonance frequency of the acceleration sensor very high, so that disturbances from externally induced mechanical vibrations reduced or practically excluded.
Hinzu kommt, daß durch die Realisierung mit Hilfe eines Halbleiterchips der Beschleunigungssensor programmierbar ist, z. B. durch von außen zugeführte Daten, und somit an dem speziellen Anwendungsfall optimal angepaßt werden kann.Added to this is the fact that it is implemented using a semiconductor chip the acceleration sensor is programmable, e.g. B. from the outside supplied data, and thus on the special application can be optimally adjusted.
Die Herstellung des Beschleunigungssensors kann in Großserie mit vorhandenen Fertigungstechniken erfolgen.The acceleration sensor can be mass-produced with existing manufacturing techniques take place.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further embodiments of the invention emerge from the subclaims forth.
Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellt darThe invention is closer in exemplary embodiments with reference to the drawing explained. In this represents
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Beschleunigungssensor gemäß der Erfindung; Fig. 1 is a cross-sectional view of an acceleration sensor according to the invention;
Fig. 2 einen Schnitt längs II-II in Fig. 1; Fig. 2 shows a section along II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm für einen Beschleunigungssensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 3 is a circuit diagram for an acceleration sensor according to a first embodiment of the invention, and
Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm für einen Beschleunigungssensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 4 is a circuit diagram for an acceleration sensor according to a second embodiment of the invention.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Beschleunigungssensor 1 gezeigt, der ein Gehäuse 2 mit einem Sockel 3 und einer Kappe 4 sowie einen Halbleiterchip 5 und einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer 6 aufweist. Der Halbleiterchip 5 ist auf dem Sockel 3 aufgelötet bzw. aufgeklebt, der Beschleunigungsaufnehmer ist auf der Oberseite des Halbleiterchips 5 ebenfalls aufgelötet bzw. aufgeklebt. Durch den Sockel 3 des Gehäuses 2 ragen vier Kontaktstifte 7, deren in das Gehäuse 2 hineinragenden Enden über Anschlußdrähte 8 mit Anschlußkontakten 9 des Halbleiterchips 5 verbunden sind. Auf dem Halbleiterchip 5 ist, den mittig angeordneten Beschleunigungsaufnehmer 5 umgebend, eine Auswerteschaltung 10 gemäß den Fig. 3 bzw. 4 integriert. Die Anschlußkontakte des Beschleunigungsaufnehmers 6 sind über Anschlußdrähte 11 mit entsprechenden Schaltungspunkten 12 und 13 der Auswerteschaltung 10 verbunden; vgl. Fig. 3 und 4.In Figs. 1 and 2, an acceleration sensor 1 is shown, comprising a housing 2 having a base 3 and a cover 4, and a semiconductor chip 5 and a piezoelectric accelerometer. 6 The semiconductor chip 5 is soldered or glued to the base 3 , the accelerometer is also soldered or glued to the top of the semiconductor chip 5 . Four contact pins 7 protrude through the base 3 of the housing 2 , the ends of which protrude into the housing 2 are connected to connecting contacts 9 of the semiconductor chip 5 via connecting wires 8 . The centrally arranged acceleration sensor 5 is on the semiconductor chip 5, ambient, an evaluation circuit 10 is integrated as shown in FIGS. 3 and 4 respectively. The connection contacts of the accelerometer 6 are connected via connection wires 11 to corresponding circuit points 12 and 13 of the evaluation circuit 10 ; see. Fig. 3 and 4.
In der Fig. 3 ist die Beschaltung des Beschleunigungssensors gezeigt. Parallel zu dem Beschleunigungsaufnehmer 6 ist eine Kapazität C vorgesehen, die durch die parasitäre Kapazität des Beschleunigungsaufnehmers und ggf. eine zusätzlich vorgesehene Kapazität definiert ist. Die Schaltungspunkte 12 und 13, die über die Anschlußdrähte 11 mit den beiden Elektroden des Beschleunigungsaufnehmers verbunden sind, bilden die Eingangspunkte der Auswerteschaltung 10. Der Schaltungspunkt 13, der mit einem der Kontaktstifte 7 verbunden ist, liegt an einer extern zugeführten Referenzspannung U-Ref und ist mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers 14 verbunden. Dieser erhält seine Versorgungsspannung über einen weiteren Kontaktstift 7.In FIG. 3, the wiring of the acceleration sensor is shown. A capacitor C is provided in parallel with the acceleration sensor 6 and is defined by the parasitic capacitance of the acceleration sensor and, if appropriate, an additionally provided capacity. The circuit points 12 and 13 , which are connected to the two electrodes of the accelerometer via the connecting wires 11 , form the input points of the evaluation circuit 10 . The circuit point 13 , which is connected to one of the contact pins 7 , is connected to an externally supplied reference voltage U-Ref and is connected to the positive input of an operational amplifier 14 . This receives its supply voltage via a further contact pin 7 .
Der Anschlußpunkt 12 ist mit einem Schaltkontakt 15 eines ersten Schalters S1 verbunden, dessen zweiter Schaltkontakt 16 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 14 verbunden ist. Der Fußpunkt des Schalters S1 ist mit einem ersten Kondensator C1 verbunden, dessen zweiter Kontakt an der Referenzspannung U-Ref liegt.The connection point 12 is connected to a switch contact 15 of a first switch S 1 , the second switch contact 16 of which is connected to the negative input of the operational amplifier 14 . The base of the switch S 1 is connected to a first capacitor C 1 , the second contact of which is connected to the reference voltage U-Ref.
Der Operationsverstärker 14 dient als Integrator. Sein Ausgang ist über einen zweiten Kondensator C2 auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers 14 rückgekoppelt. Parallel zu diesem zweiten Kondensator C2 liegt ein zweiter Schalter S2.The operational amplifier 14 serves as an integrator. Its output is fed back via a second capacitor C 2 to the negative input of operational amplifier 14 . In parallel to this second capacitor C 2 is a second switch S2.
Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen dritten Schalter S3 zu dem Ausgangspunkt der Auswerteschaltung 10 geführt, an dem die Ausgangsspannung über einen der Kontaktstifte 7 abgenommen wird. An dem dritten Schalter S3 und dem Ausgangspunkt der Auswerteschaltung ist ein Kontakt eines dritten Kondensators C3 gelegen, dessen anderer Kontakt mit Masse verbunden ist.The output of the operational amplifier is led via a third switch S 3 to the starting point of the evaluation circuit 10 , at which the output voltage is taken off via one of the contact pins 7 . At the third switch S 3 and the starting point of the evaluation circuit there is a contact of a third capacitor C 3 , the other contact of which is connected to ground.
Die Auswerteschaltung 10 weist noch einen Taktgeber 17 auf, der Schaltsignale T1, T2 und T3 an die einzelnen Schalter S1, S2 bzw. S3 liefert. Der Taktgeber 17 kann über einen Kontaktstift 7 von außen programmiert werden. Dieser Kontaktgeber kann auch noch zusätzliche interne Schaltungsfunktionen ausführen. Es ist selbstverständlich möglich, diesen Taktgeber auch extern anzuordnen, so daß dessen Taktsignale über einen oder mehrere Kontaktstifte an die Schalter geleitet werden.The evaluation circuit 10 also has a clock generator 17 which supplies switching signals T 1 , T 2 and T 3 to the individual switches S 1 , S 2 and S 3 . The clock 17 can be programmed from the outside via a contact pin 7 . This contactor can also perform additional internal circuit functions. It is of course possible to arrange this clock generator externally, so that its clock signals are routed to the switches via one or more contact pins.
Durch den ersten Schalter S1 und den Kondensator C1 wird der ansonsten notwendige Vorwiderstand zwischen piezoelektrischem Beschleunigungsaufnehmer und Operationsverstärker ersetzt, wohingegen der zweite Schalter S2 und der zweite Kondensator C2 den ansonsten üblichen Integrationswiderstand ersetzen. Durch das Verhältnis der Kapazitätswerte des zweiten und des ersten Kondensators wird die Verstärkung des Operationsverstärkers 14 bestimmt.The otherwise necessary series resistor between the piezoelectric accelerometer and the operational amplifier is replaced by the first switch S 1 and the capacitor C 1 , whereas the second switch S 2 and the second capacitor C 2 replace the otherwise usual integration resistor. The gain of the operational amplifier 14 is determined by the ratio of the capacitance values of the second and the first capacitor.
Die Funktion der beschriebenen Schaltung ist folgende: The function of the circuit described is as follows:
In einem ersten Zeitintervall wird mit Hilfe des Taktgebers 17 der Schalter S1 auf den Schaltkontakt 15 gelegt, so daß die in dem piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer 6 erzeugte Ladung im ersten Kondensator C1 gespeichert wird. Der zweite Schalter C2 ist geschlossen, so daß der zweite Kondensator C2 entladen und damit der Operationsverstärker 14 zurückgesetzt wird. Der dritte Schalter S3 ist offengehalten.In a first time interval, the switch S 1 is placed on the switch contact 15 with the aid of the clock generator 17 , so that the charge generated in the piezoelectric accelerometer 6 is stored in the first capacitor C 1 . The second switch C 2 is closed, so that the second capacitor C 2 is discharged and the operational amplifier 14 is thus reset. The third switch S 3 is kept open.
Anschließend wird der erste Schalter S1 auf den Schaltkontakt 16 gelegt; der zweite Schalter S2 wird geöffnet, und der dritte Schalter S3 offengehalten. Hiermit beginnt die Integration, während der erste Kondensator C1 entladen wird. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, wird der erste Schalter S1 wieder auf den Schaltkontakt 15 umgeschaltet und der dritte Schalter S3 geschlossen, so daß der von dem Operationsverstärker 14 ermittelte Integrationswert von dem dritten Kondensator C3 gespeichert und als Ausgangsspannung U abgenommen wird.Then the first switch S 1 is placed on the switch contact 16 ; the second switch S 2 is opened and the third switch S 3 is kept open. This begins the integration while the first capacitor C 1 is being discharged. When this process is complete, the first switch S 1 is switched back to the switch contact 15 and the third switch S 3 is closed, so that the integration value determined by the operational amplifier 14 is stored by the third capacitor C 3 and taken off as the output voltage U.
In einem letzten Intervall wird der dritte Schalter S3 wieder geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen, so daß der Operationsverstärker 14 unter Entladen des zweiten Kondensators C2 zurückgesetzt wird.In a last interval, the third switch S 3 is opened again and the second switch S 2 is closed, so that the operational amplifier 14 is reset while discharging the second capacitor C 2 .
Dieser Zyklus wiederholt sich dann entsprechend.This cycle is then repeated accordingly.
Die Referenzspannung U-Ref dient als Kompensationsspannung, mit der u. a. auch Offset-Driften kompensiert werden können.The reference voltage U-Ref serves as a compensation voltage with which u. a. offset drifts can also be compensated for.
Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung weist die gleichen Komponenten wie diejenige gemäß Fig. 3 auf, so daß sich eine nähere Beschreibung erübrigt. Hinzugefügt ist lediglich ein vierter Schalter S4 und ein vierter Kondensator C4, wobei der Schaltungspunkt 12 mit dem Schaltkontakt 15 des ersten Schalters verbunden ist. Der vierte Schalter S4 schaltet in seiner ersten Schaltstellung den vierten Kondensator C4 parallel zu dem Beschleunigungsaufnehmer 6, während in der zweiten Schaltstellung der Kondensator C4 entladen wird. Durch den vierten Schalter S4 und den vierten Kondensator C4 wird ein zu dem Beschleunigungsaufnehmer 6 paralleler Widerstand simuliert, mit dem ansonsten die untere Grenzfrequenz der gesamten Schaltung festgelegt werden kann. Diese Grenzfrequenz kann durch eine bestimmte Schaltfrequenz des Schalters S4 eingestellt werden. Der Schalter S4 kann unabhängig von dem ersten Schalter S1 durch Taktsignale T4 vom Taktgeber 17 betätigt werden. Eine synchrone Schaltung mit dem ersten Schalter ist auch möglich. Der Kapazitätwert des vierten Kondensators C4 liegt typischerweise bei einigen Femtofarad.The circuit shown in FIG. 4 has the same components as that according to FIG. 3, so that a detailed description is unnecessary. Only a fourth switch S 4 and a fourth capacitor C 4 are added , the switching point 12 being connected to the switching contact 15 of the first switch. The fourth switch S 4 switches the fourth capacitor C 4 in parallel to the accelerometer 6 in its first switching position, while the capacitor C 4 is discharged in the second switching position. The fourth switch S 4 and the fourth capacitor C 4 simulate a resistor parallel to the acceleration sensor 6 , with which the lower limit frequency of the entire circuit can otherwise be determined. This limit frequency can be set by a certain switching frequency of the switch S 4 . The switch S 4 can be actuated independently of the first switch S 1 by clock signals T 4 from the clock generator 17 . A synchronous switching with the first switch is also possible. The capacitance value of the fourth capacitor C 4 is typically a few femtofarads.
Claims (10)
- a) Verbinden des ersten Kondensators (C1) über den ersten Schalter (S1) mit dem Beschleunigungsaufnehmer (6) bei geschlossenem zweiten sowie offenem dritten Schalter (S2 bzw. S3);
- b) Verbinden des ersten Kondensators (C1) über den ersten Schalter (S1) mit dem Operationsverstärker (14) und Öffnen des zweiten Schalters (S2) sowie Offenhalten des dritten Schalters (S3);
- c) Verbinden des ersten Kondensators (C1) über den ersten Schalter mit dem Beschleunigungsaufnehmer (6) sowie Schließen des dritten Schalters (S3) und Offenhalten des zweiten Schalters (S2);
- d) Öffnen des dritten Schalters (S3) und Schließen des zweiten Schalters (S2),
- a) connecting the first capacitor (C 1 ) via the first switch (S 1 ) to the accelerometer ( 6 ) when the second and third switches (S 2 and S 3 ) are closed;
- b) connecting the first capacitor (C 1 ) via the first switch (S 1 ) to the operational amplifier ( 14 ) and opening the second switch (S 2 ) and keeping the third switch (S 3 ) open;
- c) connecting the first capacitor (C 1 ) via the first switch to the accelerometer ( 6 ) and closing the third switch (S 3 ) and keeping the second switch (S 2 ) open;
- d) opening the third switch (S 3 ) and closing the second switch (S 2 ),
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Also Published As
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|---|---|
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DEUTSCHE AEROSPACE AG, 8000 MUENCHEN, DE |
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8363 | Opposition against the patent | ||
| 8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: TEMIC TELEFUNKEN MICROELECTRONIC GMBH, 74072 HEILB |
|
| 8331 | Complete revocation |