DE4127460C2 - Sensor - Google Patents
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- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere zur Aufnahme von Be
schleunigung, Kraft oder Weg.
Auf dem Gebiet der Kfz-Sensorik werden Sensoren benötigt, die bei hoher
Meßgenauigkeit mit möglichst geringem Aufwand hergestellt werden können.
Für die Herstellung dieser Sensoren werden Verfahren angewendet, die mit
anderen technologischen Fertigungsverfahren gut verträglich sind, damit die
Sensorauswerteelektronik nach Möglichkeit auf demselben Träger mit dem
eigentlichen Meßwertaufnehmer integriert werden kann.
Ein Beispiel für in Kraftfahrzeugen eingesetzten Sensoren sind Beschleuni
gungssensoren in Airbag-Rückhaltesystemen.
In der DE 37 42 385 A1 und der EP 395 922 A1 sind jeweils Beschleuni
gungssensoren beschrieben, bei dem eine Kapazitätsänderung gegenüber
liegender Elektroden gemessen wird. Dabei ist die erste Elektrode auf einem
unbeweglichen Grundkörper aufgebracht. Die zweite Elektrode ist an einem
Trägheitskörper angebracht, der über Tragebalken bzw. Federn an einem
Stützrahmen befestigt ist. Greift an dem Trägheitskörper eine Beschleunigung
an, so wird der Abstand der beiden Elektroden verändert.
Die DE 38 90 305 T1 offenbart einen Kraftmeßwandler mit einer ersten, als
Biegebalken dienenden und einseitig eingespannten Platte, auf der eine
zweite Platte einseitig befestigt ist. Auf den sich gegenüberliegenden paralle
len Oberflächen der Platten sind jeweils Elektroden angebracht. Bei Durchbie
gung der Platten wird eine Abstandsänderung der beiden Elektroden und so
mit eine Kapazitätsänderung bewirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zu schaffen, der kostengünstig
hergestellt und mit dem eine präzise Messung verschiedener physikalischer
Größen durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
des Anspruch 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände von
Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß umfaßt der Sensor eine erste, einseitig eingespannte, be
vorzugt ebene Platte, im folgenden Trägerplatte genannt. Auf dieser ist eine
zweite Platte, im folgenden Aufnehmerplatte genannt, angebracht, und zwar
derart, daß die Aufnehmerplatte durchgebogen ist, so daß zwischen den bei
den Platten ein Hohlraum vorhanden ist. Auf den innenliegenden Oberflächen
der beiden Platten sind dünne Metallschichten aufgebracht. Diese bilden
einen Kondensator, dessen Kapazität mit einer geeigneten Meßvorrichtung
gemessen werden kann. Die Biegelinie der Aufnehmerplatte ist von der Form
eines kosinusförmigen Bogens.
Das Aufnahmeprinzip des Sensors beruht auf einer Kapazitätsänderung des
durch die beiden Metallschichten gebildeten Kondensators infolge einer von
außen aufgezwungenen Durchbiegung der Platten.
Der erfindungsgemäße Sensor kann insbesondere als Beschleunigungs-,
Kraft- und Feinst-Weg-Sensor angewendet werden. Ein derartiger Sensor
kann einschließlich der Auswerteelektronik auch in kleineren Stückzahlen
mit geringem Aufwand preiswert gefertigt werden.
Besonders vorteilhaft kann an der Unterseite der Trägerplatte eine weitere
Aufnehmerplatte in derselben Weise wie die erste befestigt werden. Dabei be
finden sich auf den innenliegenden Oberflächen zwei weitere, dünne Metall
schichten, die einen zweiten Kondensator bilden.
Als Material für Träger- und Aufnehmerplatte(n) wird bevorzugt Glas verwen
det.
Die Erfindung wird anhand konkreter Ausführungen näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Sensor mit einer Aufnehmerplatte,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Signal-Wandlung,
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Sensor mit zwei Aufnehmerplatten,
Fig. 4 eine Auswerteschaltung für den in Fig. 3 dargestellten Sensor,
Fig. 5 die Beschichtungen von Träger- und Aufnehmerplatte.
Fig. 1a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die speziell für die Messung
von Beschleunigungen, z. B. für ein Airbag-Rückhaltesystem in einem Kraft
fahrzeug, ausgelegt ist. Die ebene Trägerplatte TP, hier ein ca. 25 mm langer,
10 mm breiter und 0,5 mm dicker Glasstreifen, ist einseitig eingespannt und
dient als klassischer Biegebalken.
Auf den gegenüberliegenden Kantenbereichen der Trägerplatte TP ist die
Aufnehmerplatte AP1, hier ebenfalls ein Glasstreifen, jedoch nur 0,1 mm dick,
derart befestigt, daß diese sich in durchgebogenen Zustand befindet. Der Ab
stand zwischen den beiden Platten TP, AP1 beträgt im Bereich der größten
Durchbiegung maximal etwa 0,1 mm. Bezogen auf die untere, dickere Träger
platte TP weist die dünnere Aufnehmerplatte AP1 eine annähernd kosinus
förmige Biegelinie (Eulersche Knickung) auf. Auf den Innenseiten der beiden
Platten TP, AP1 ist jeweils eine Metallschicht M1, M2 aufgedampft.
Wird nun, wie in Fig. 1b dargestellt, infolge einer Beschleunigung a die Vor
richtung nach unten gebogen, so vergrößert sich die Kapazität des aus den
beiden Metallschichten M1, M2 gebildeten Kondensators, da der Abstand zwi
schen den Metallschichten M1, M2 verringert wird.
In Fig. 1c erfolgt infolge einer Beschleunigung a mit umgekehrtem Vorzeichen
eine Durchbiegung nach oben, wodurch der Abstand zwischen den beiden
Metallschichten M1, M2 vergrößert und damit die Kapazität verringert wird.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Signalwandlung bei einem er
findungsgemäßen Sensor. Die aufzunehmende physikalische Größe, z. B.
Kraft, Weg, Beschleunigung, wird über die Durchbiegung in einen Kapazitäts
wert und anschließend in eine elektrische Spannung gewandelt. Nach einer
eventuellen Analog/Digital-Wandlung kann der kalibrierte Meßwert mit einer
Anzeigevorrichtung ausgegeben werden.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor, bei der zusätzlich zu der in Fig.
1 beschriebenen Vorrichtung an der Unterseite der Trägerplatte TP eine zwei
te, ebenfalls durchgebogene Aufnehmerplatte AP2 befestigt ist. An den innen
liegenden Oberflächen von Trägerplatte TP und der zweiten Aufnehmerplatte
AP2 sind zwei weitere dünne metallische Schichten M3, M4 vorhanden, die
einen zweiten Kondensator bilden.
Bei einer Durchbiegung, z. B. nach oben, ergibt sich nach dem in der Be
schreibung zu Fig. 1 gesagten eine Verminderung der Kapazität des durch die
beiden oberen Metallschichten M1, M2 gebildeten Kondensators C1, jedoch
eine Erhöhung der Kapazität des durch die beiden unteren Schichten M3, M4
gebildeten Kondensators C2 (Differentialkondensatorelement).
Fig. 4 zeigt eine Auswerteschaltung für diese Vorrichtung. In den Elementen
10, 11 wird jeweils die Kapazität eines der beiden Kondensatoren C1, C2 auf
genommen und die Signale in der nachgeschalteten Einheit 20 subtrahiert.
Das Differenzsignal schließlich wird im Meßinstrument 30 gemessen. Ohne
Verbiegung ist das Ausgangssignal demnach gleich Null.
Die Vorrichtung hat den Vorteil, daß die Richtung der Belastung am Vorzei
chen des Ausgangssignals ablesbar ist, so daß zwischen positiven und negati
ven Kräften, Verlängerung oder Verkürzung eines Weges sowie zwischen Be
schleunigung und Verzögerung unterschieden werden kann.
Fig. 5 zeigt die geometrischen Strukturen der Beschichtung von Träger- und
Aufnehmerplatte, in Fig. 5a für die Trägerplatte TP, in Fig. 5b für eine AP1 der
beiden, im allgemeinen identischen Aufnehmerplatten AP1, AP2. Die Länge
der Aufnehmerplatten ist etwas kürzer als die Trägerplatte, wodurch Kontak
tier- oder Bondflächen auf der Trägerplatte frei bleiben.
Die Metallschichten M1-M4, die die Kondensatorplatten bilden, haben bevor
zugt eine Dicke von 100-1000 nm. Als Material wird z. B. Au verwendet. Die
ser metallische Belag, in der Fig. schwarz gezeichnet, ist auch an den Rand
bereichen aufgetragen und bildet dort die Lötflächen LF für das Verbinden
von Träger- und Aufnehmerplatte. Als Lot wird z. B. ein Lötband mit den Antei
len In 80%; Pb 15%; Ag 5% verwendet.
Zwischen Metallschicht und Substrat befindet sich zusätzlich eine Haftschicht
von 20-50 nm Dicke, im Falle von Glassubstrat bevorzugt aus Ti, Gr oder
Ni, Cr.
Darüber hinaus kann zwischen Metallschicht und Haftschicht eine Diffusions
sperrschicht mit einer Dicke im Bereich zwischen 50-200 nm, bevorzugt aus
Pd angeordnet werden.
Claims (4)
1. Sensor, insbesondere zur Aufnahme von Beschleunigung, Kraft oder
Weg, mit
- - einer ersten, als Biegebalken dienenden einseitig eingespannten Plat te (TP),
- - einer zweiten Platte (AP1), die auf der ersten Platte (TP) befestigt ist, so daß zwischen den beiden Platten (TP, AP1) ein Hohlraum vorhan den ist;
- - zwei dünnen Metallschichten (M1, M2), die sich auf den innenliegen den Oberflächen der beiden Platten (TP, AP1) befinden, wobei durch eine von außen aufgezwungene Durchbiegung der beiden Platten (TP, AP1) eine Kapazitätsänderung der durch die beiden Metallschich ten gebildeten Leiteranordnung bewirkt wird;
- - einer Vorrichtung zur Messung der Kapazität der von den beiden Metallschichten (M1, M2) gebildeten Leiteranordnung; dadurch gekennzeichnet, daß die die zweite Platte (AP1) im durchge bogenen Zustand auf der ersten Platte (TP) befestigt ist, wobei die Biegeli nie der zweiten Platten (AP1) angenähert von der Form eines kosinusför migen Bogens ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unter
seite der ersten Platte (TP) eine dritte Platte (AP2) im durchgebogenen
Zustand befestigt ist, so daß zwischen diesen beiden Platten (TP, AP2)
ebenfalls ein Hohlraum vorhanden ist, wobei sich auf den innenliegenden
Oberflächen zwei weitere dünne Metallschichten (M3, M4) befinden und
die Biegelinie der dritten Platte (AP2) angenähert von der Form eines
kosinusförmigen Bogens ist.
3. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die erste Platte (TP) aus Glas ist.
4. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die zweite (AP1) und/oder die dritte Platte (AP2) aus Glas
ist.
Priority Applications (1)
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DE4127460A DE4127460C2 (de) | 1991-08-20 | 1991-08-20 | Sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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DE4127460A DE4127460C2 (de) | 1991-08-20 | 1991-08-20 | Sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE4127460A1 DE4127460A1 (de) | 1993-02-25 |
DE4127460C2 true DE4127460C2 (de) | 1994-04-14 |
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ID=6438647
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4127460A Expired - Fee Related DE4127460C2 (de) | 1991-08-20 | 1991-08-20 | Sensor |
Country Status (1)
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1991
- 1991-08-20 DE DE4127460A patent/DE4127460C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE4127460A1 (de) | 1993-02-25 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |