DE4419843A1 - Piezoelektrischer Beschleunigungssensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem piezoelektrischen Beschleu­ nigungssensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung mit dem Akten­ zeichen P 43 24 692.3 beschrieben, der ein piezoelektrisches plattenförmiges Bauteil aufweist, das über einen Abstands­ block mit einer Platte verbunden ist.

Eine Beschleunigung des piezoelektrischen Beschleunigungs­ sensors verursacht eine Verbiegung des piezoelektrischen Bauteils, wodurch Ladungen auf den Oberflächen des piezoelektrischen Bauteils erzeugt werden, die proportional zur einwirkenden Beschleunigung sind. Aus der Anzahl der er­ zeugten Ladungen ist die Größe der Beschleunigung ermittel­ bar.

Die Meßrichtung des Sensors steht senkrecht auf der Ebene, mit der der Sensor auf einen Träger befestigt ist. Damit muß der Träger immer senkrecht zur Meßrichtung des Sensors ange­ ordnet werden. Aus Platzgründen kann diese Einbaulage des Trägers jedoch ungünstig sein. Der bekannte Sensor ist ver­ hältnismäßig ungeschützt gegen eine Beschädigung und ver­ hältnismäßig aufwendig zu montieren.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Beschleunigungssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vor­ teil, daß das piezoelektrische Bauteil gegen Beschädigungen geschützt ist. Dadurch ist der Beschleunigungssensor beson­ ders für eine einfache Montage mit Bestückungsanlagen geeig­ net.

Zudem eignet sich die Bauform des piezoelektrischen Be­ schleunigungssensors für eine senkrechte und damit platz­ sparende Montage. Die Meßrichtung liegt zudem in vorteil­ hafter Weise senkrecht zur Montagerichtung. Dadurch ist es möglich, auch senkrecht zur Montagerichtung eine Beschleuni­ gung zu ermitteln. Durch die in den Unteransprüchen aufge­ führten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ver­ besserungen des im Anspruch 1 angegebenen piezoelektrischen Beschleunigungssensors möglich. Eine vorteilhafte Anordnung der Kontaktleitungen besteht darin, die Kontaktleitungen auf den Innenseiten der ersten und der zweiten Platte anzuord­ nen.

Die Aufbringung der Kontaktleitungen auf die Platten ist einfach auszuführen und die Kontaktierung der Elektroden des Beschleunigungssensors mit den Kontaktleitungen erfolgt auto­ matisch durch das Aufkleben der Platten mit Leitkleber beim Aufbau des Beschleunigungssensors. Somit ist kein zusätz­ licher Arbeitsschritt für die Kontaktierung notwendig.

Besonders vorteilhaft ist es, die Kontaktleitungen in einem möglichst großen Abstand auf einer Seite des piezoelektri­ schen Beschleunigungssensors herauszuführen. Auf diese Weise ist es nicht notwendig, eine große Genauigkeit bei der Kon­ taktierung der Kontaktleitungen einzuhalten.

Dadurch ist es möglich, daß die Kontaktleitungen mit Leiter­ bahnen einer Grundplatte eines Steuergerätes über eine ein­ seitige Verklebung mit Leitkleber leitend verbunden werden. Zudem können aufgrund des großen Abstandes der Enden der Kontaktleitungen für eine automatische Bestückung kosten­ günstige Bestückungsmaschinen verwendet werden, die keine besonders hohe Präzision aufweisen. Die Verwendung von Iso­ lationsglas zur Ausbildung der Abstandsblöcke bietet den Vorteil, daß Isolationsglas kostengünstig ist und einfach mit definierter Dicke zu strukturieren ist.

Die Verwendung des piezoelektrischen Beschleunigungssensors zur Herstellung eines Steuergerätes zur Auslösung eines Air­ bags entsprechend dem nebengeordneten Anspruch 6 bietet den Vorteil, daß die Bestückung der Grundplatte eines Steuerge­ rätes mit dem Beschleunigungssensor einfach auszuführen ist.

Es ist keine besonders genaue Justierung des Beschleu­ nigungssensors notwendig, da die elektrische Kontaktierung mit den Leiterbahnen über einen Leitkleber erfolgt und die Enden einen großen seitlichen Abstand voneinander aufweisen. Deshalb reicht die Genauigkeit von einfachen Bestückungs­ maschinen aus, um die Kontaktleitungen auf den Leiterbahnen einer Grundplatte mithilfe des Leitklebers festzukleben. Durch die Verwendung des Leitklebers wird die elektrische Kontaktierung und die Befestigung des Beschleunigungssensors auf der Grundplatte in einem Schritt durchgeführt. Die senk­ rechte Montage des piezoelektrischen Beschleunigungssensors auf der Grundplatte ist platzsparend. Die Herstellung des Steuergerätes ist insgesamt einfacher, schneller und kosten­ günstiger auszuführen. Die Beschleunigungsmeßrichtung liegt zudem in der Ebene der Grundplatte des Steuergerätes. Da­ durch ist es in vorteilhafter Weise möglich, das Steuergerät in der Ebene der Grundplatte parallel zur Beschleunigungs­ meßrichtung zu verbauen.

Eine vorteilhafte Anordnung besteht in der Verwendung von zwei piezoelektrischen Beschleunigungssensoren, die nicht parallel und vorzugsweise im rechten Winkel zueinander ange­ ordnet sind, so daß alle Beschleunigungsrichtungen einer Ebene gemessen werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 einen piezoelektrischen Be­ schleunigungssensor, Fig. 2 eine erste Platte eines Be­ schleunigungssensors mit einer ersten Kontaktleitung, Fig. 3 eine zweite Platte eines Beschleunigungssensors mit einer zweiten Kontaktleitung und Fig. 4 ein Steuergerät mit einer Grundplatte mit zwei Beschleunigungssensoren.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt einen piezoelektrischen Beschleunigungssensor von der Seite, mit der der Beschleunigungssensor mit einer Grundplatte eines Steuergerätes verklebt wird. Der Beschleu­ nigungssensor weist ein piezoelektrisches Bauteil auf, das aus zwei Plattenteilen 5, 6 besteht. Die zwei Plattenteile 5, 6 sind rechteckförmig, gleich groß und weisen eine entge­ gengesetzte piezoelektrische Polarisation auf. Durch die An­ ordnung der beiden piezoelektrischen Plattenteile 5, 6 wird erreicht, daß bei einer Verbiegung des piezoelektrischen Bauteils elektrische Ladungen auf den Oberflächen der Plattenteile 5, 6 nachweisbar sind. Die Plattenteile 5, 6 stellen ein piezoelektrisches Bauteil 5, 6 in Form einer bimorphen Platte dar.

Eine prinzipielle Beschreibung der Funktionsweise eines piezoelektrischen Beschleunigungssensors ist zum Beispiel der Offenlegungsschrift DE 38 17 354 A1 zu entnehmen.

Am linken Ende des ersten Plattenteils 5 ist ein erster Ab­ standsblock 3 aufgebracht. Dem ersten Abstandsblock 3 gegen­ überliegend ist auf dem zweiten Plattenteil 6 ein zweiter Abstandsblock 4 angeordnet. Der erste und der zweite Ab­ standsblock 3, 4 weisen vorzugsweise eine Höhe in der Größenordnung von 50 bis 100 µm auf.

Auf dem ersten Abstandsblock 3 ist eine erste Platte 1 auf­ gebracht, die eine größere Fläche aufweist, als die Platten­ teile 5, 6. Die erste Platte 1 ist parallel zum piezoelektrischen Bauteil 5, 6 angeordnet. Das piezoelektri­ sche Bauteil 5, 6 wird von der ersten Platte 1 über die ge­ samte Fläche abgedeckt. Auf der Seite der ersten Platte 1, die dem ersten Plattenteil 5 zugewandt ist, ist eine erste Kontaktleitung 8 aufgebracht. Die erste Kontaktleitung 8 ist rechts neben dem ersten Abstandsblock 3 auf der ersten Platte 1 angeordnet und endet an der unteren Längskante der ersten Platte 1.

Auf dem zweiten Abstandsblock 4 ist eine zweite Platte 2 aufgebracht, deren Abmessungen vorzugsweise denen der ersten Platte 1 entsprechen. Die zweite Platte 2 ist parallel zum piezoelektrischen Bauteil 5, 6 ausgerichtet und deckt vor­ zugsweise die gesamte Fläche des piezoelektrischen Bauteils 5, 6 ab. Auf der Seite der zweiten Platte 2, die dem zweiten Plattenteil 6 zugewandt ist, ist eine zweite Kontaktleitung 7 aufgebracht. Die zweite Kontaktleitung 7 ist am rechten Rand der zweiten Platte 2 zur unteren Längskante der zweiten Platte 2 geführt.

Eine erste Elektrode 14 ist vorzugsweise auf der gesamten Oberfläche des ersten Plattenteils 5, die der ersten Platte 1 zugewandt ist, aufgebracht. Eine zweite Elektrode 15 ist vorzugsweise auf der gesamten Oberfläche des zweiten Plattenteils 6, die der zweiten Platte 2 zugewandt ist, auf­ gebracht. Die erste und die zweite Elektrode 14, 15 sind je­ weils mit der ersten bzw. mit der zweiten Kontaktleitung 8, 7 verbunden.

Fig. 2 zeigt die zweite Platte 2 von der Seite, die beim aufgebauten Beschleunigungssensor dem zweiten Plattenteil 6 zugewandt ist. Schematisch ist auf der zweiten Platte 2 die Größe des zweiten Plattenteils 6 eingezeichnet. Der zweite Plattenteil 6 weist eine Rechteckform auf und ist in der Mitte der zweiten Platte 2 angeordnet, so daß die zweite Platte 2 den zweiten Plattenteil 6 vollständig überdeckt.

Am linken Ende der Rechteckform des zweiten Plattenteils 6 ist der zweite Abstandsblock 4 auf der zweiten Platte 2 auf­ gebracht. Die gesamte Oberfläche des zweiten Abstandsblockes 4 ist mit der zweiten Kontaktleitung 7 bedeckt. Beim aufge­ bauten Beschleunigungssensor ist die zweite Elektrode 15 mit der zweiten Kontaktleitung 7 verbunden, indem der zweite Ab­ standsblock 4 auf der zweiten Elektrode 15 mittels eines Leitklebers befestigt ist. Die zweite Kontaktleitung 7 er­ streckt sich von der Mitte des zweiten Abstandsblocks 4 in einem schmalen Streifen in Längsrichtung der zweiten Platte 2 und knickt kurz vor dem Ende der zweiten Platte 2 zu einer Längskante, in der Fig. 2 ist dies die untere Längsseite, ab, wobei die zweite Kontaktleitung 7 bis an die Längsseite der zweiten Platte 2 geführt ist.

Fig. 3 zeigt die Seite der ersten Platte 1, die dem ersten Plattenteil 5 zugewandt ist. Schematisch ist auf der ersten Platte 1 die Größe des ersten Plattenteils 5 eingezeichnet. Der erste Plattenteil 5 weist eine rechteckförmige Fläche auf und ist in der Mitte der ersten Platte 1 angeordnet. Auf diese Weise überdeckt die erste Platte 1 vorzugsweise die gesamte Fläche des ersten Plattenteils 5.

Am linken Ende der rechteckförmigen Grundfläche ist der erste Abstandsblock 3 auf der ersten Platte 1 aufgebracht. Der erste Abstandsblock 3 erstreckt sich über die gesamte Breite des ersten Plattenteils 5 und über ungefähr ein Drittel der Länge des ersten Plattenteils 5. Die gesamte Fläche des ersten Abstandsblockes 3 ist mit der ersten Kon­ taktleitung 8 bedeckt. Beim aufgebauten Beschleunigungs­ sensor entsprechend Fig. 1 ist die erste Kontaktleitung 8 mit der ersten Elektrode 14 kontaktiert, da der erste Ab­ standsblock 3 auf der ersten Elektrode 14 mittels eines Leitklebers aufgeklebt ist. Der Leitkleber stellt den elektrischen Kontakt zwischen der ersten Elektrode 14 und der ersten Kontaktleitung 8 her. Zudem ist ein schmaler Streifen der ersten Kontaktleitung 8 ausgehend von der Mitte des ersten Abstandsblockes 3 direkt an eine Längsseite der ersten Platte 1 geführt, die in Fig. 3 der oberen Längs­ seite entspricht.

Die Auslenkungen des piezoelektrischen Bauteils 5, 6 bei einer einwirkenden Beschleunigung liegen im Bereich kleiner als 1 µm. Da die erste Elektrode 14 mit der ersten Kontakt­ leitung 8 und die zweite Elektrode 15 mit der zweiten Kon­ taktleitung 7 leitend verbunden sind, werden die bei einer Verbiegung des piezoelektrischen Bauteils 5, 6 auftretenden Oberflächenladungen über die erste Kontaktleitung 8 und die zweite Kontaktleitung 7 nachgewiesen. Aus den nachgewiesenen Ladungen wird die einwirkende Beschleunigungskraft ermittelt.

Die erste und zweite Platte 1, 2 werden beispielsweise aus einer Keramik, vorzugsweise aus Aluminiumoxid gefertigt. Da­ bei weisen die erste und die zweite Platte 1, 2 eine Dicke von ungefähr 0,6 mm auf. Die Länge der ersten und der zweiten Platte liegen im Bereich von 6 bis 7 mm und die Breite im Bereich von 2 bis 3 mm. Die Dicke des piezoelektrischen Bauteils 5, 6 liegt im Bereich von ungefähr 0,6 mm. Die Kontaktleitungen 7, 8 und die Elektroden 14, 15 bestehen z. B. aus Silber-Palladium (Ag,Pd), das in Dick­ schichthybridtechnik aufgedruckt ist. Die Abstandsblöcke 3, 4 sind z. B. aus aufgedruckten Glasschichten strukturiert.

Fig. 4 zeigt schematisch den Aufbau eines Steuergerätes, das beispielsweise zur Auslösung eines Airbags in einem Kraftfahrzeug dient. Es ist eine Grundplatte 9 dargestellt, auf der eine Steuereinheit 10 aufgebracht ist. Ausgehend von der Steuereinheit 10 führen Leiterbahnen 11 zu jeweils einem piezoelektrischen Beschleunigungssensor. Die Beschleuni­ gungssensoren sind mit der Längsseite, die in Fig. 1 darge­ stellt ist, senkrecht und damit platzsparend auf der Grund­ platte 9 aufgebracht, wobei die erste Kontaktleitung 8 und die zweite Kontaktleitung 7 über zwei getrennte Klebepunkte 12 mit den Leiterbahnen 11 leitend verbunden sind. Mithilfe der Klebepunkte 12 ist gleichzeitig der Beschleunigungs­ sensor mit der Grundplatte 9 fest verklebt.

Die zwei in Fig. 4 dargestellten piezoelektrischen Be­ schleunigungssensoren sind so angeordnet, daß sie die Be­ schleunigung in zwei senkrecht aufeinander stehenden Rich­ tungen messen. Somit werden mit den zwei dargestellten Be­ schleunigungssensoren alle Beschleunigungen, die in der Ebene der Grundplatte 9 liegen, der Größe und der Richtung nach gemessen. Im einfachsten Fall ist nur ein piezoelektri­ scher Beschleunigungssensor angeordnet.

Durch die Verwendung eines piezoelektrischen Beschleuni­ gungssensors, der entsprechend den Fig. 1 bis 3 aufgebaut ist, kann ein Steuergerät entsprechend Fig. 4 in einfacher Weise hergestellt werden. Die Bestückung der Grundplatte 9 erfolgt in einfacher Weise dadurch, daß die Leiterbahnen 11 Klebepunkte 12 aufweisen, die aus Leitkleber bestehen. Mit Hilfe einer automatischen Bestückungsmaschine werden die Be­ schleunigungssensoren auf die Grundplatte 9 gestellt, wobei die Enden der ersten und zweiten Kontaktleitung 8, 7 mit den entsprechenden Leitkleberpunkte 12 verbunden werden. Nach dem Erhärten des Leitklebers ist der Beschleunigungssensor fest mit der Grundplatte verbunden und gleichzeitig sind die Kontaktleitungen 7, 8 mit den Leiterbahnen 11 leitend verbun­ den.

Auf diese Weise ist eine Kompatibilität zu Standardprozessen und Montageverfahren der Dickschichthybridtechnik gewahrt. Dadurch wird ein kostengünstiges Montageverfahren in Hybrid­ technik möglich.

Eine Auswertung der Signale der piezoelektrischen Beschleu­ nigungssensoren erfolgt in der Steuereinheit 10, die ent­ sprechend ausgebildet ist.

Claims (7)

1. Piezoelektrischer Beschleunigungssensor mit einem piezoelektrischen plattenförmigen Bauteil (5, 6), auf dem auf einer Seite ein erster Abstandsblock (3) und auf den ersten Abstandsblock (3) eine erste Platte (1) aufgebracht ist, wo­ bei die erste Platte (1) parallel zum piezoelektrischen Bau­ teil (5, 6) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer zweiten Seite des piezoelektrischen Bauteils (5, 6) ein zweiter Abstandsblock (4) aufgebracht ist, daß der zweite Abstandsblock (4) dem ersten Abstandsblock (3) gegenüber­ liegend angeordnet ist, daß auf den zweiten Abstandsblock (4) eine zweite Platte (2) aufgebracht ist, daß die zweite Platte (2) parallel zum piezoelektrischen Bauteil (5, 6) aus­ gerichtet ist, und daß die erste und die zweite Platte (1, 2) das piezoelektrische Bauteil (5, 6) vollständig abdecken.

2. Piezoelektrischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Bauteil ein erstes Plattenteil (5) und ein zweites Plattenteil (6) auf­ weist, daß das erste und das zweite Plattenteil (5, 6) eine in der Richtung entgegengesetzte piezoelektrische Polarisation aufweisen.

3. Piezoelektrischer Beschleunigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite der ersten und der zweiten Platte (1, 2), die dem piezoelektrischen Bauteil (5, 6) zugewandt ist, Kontaktleitungen (7, 8) aufgebracht sind, die mit dem ersten bzw. mit dem zweiten Plattenteil (5, 6) leitend verbunden sind.

4. Piezoelektrischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt­ leitungen (7, 8) von den Abstandsblöcken (3, 4) ausgehend an eine gemeinsame Außenkante des piezoelektrischen Beschleuni­ gungssensors geführt sind, und daß die erste und die zweite Kontaktleitung (7, 8) einen möglichst großen Abstand von­ einander an der Außenkante aufweisen.

5. Piezoelektrischer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Abstandsblock (3, 4) aus Isolationsglas gebildet sind.

6. Steuergerät, insbesondere zur Auslösung eines Airbags, mit einem piezoelektrischen Beschleunigungssensors nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das Steuergerät eine Grundplatte (9) aufweist, auf der eine Steuereinheit (10) aufgebracht ist und auf der Grundplatte (9) elektrische Leiterbahnen (11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Beschleunigungssensor mit der Außenkante, an die die Kontaktleitungen (7, 8) geführt sind, senkrecht stehend auf der Grundplatte (9) angeordnet ist, daß die Enden der ersten und der zweiten Kontaktleitung (7, 8) über Leitkleber (12) mit den Leiterbahnen (11) leitend verbunden sind, und daß der piezoelektrische Beschleuni­ gungssensor mit der Grundplatte (9) über den Leitkleber (12) fest verbunden ist.

7. Steuergerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei piezoelektrische Beschleunigungssensoren (2) angeordnet sind, und daß die Meßrichtungen der piezoelektri­ schen Beschleunigungssensoren (2) nicht parallel zueinander, vorzugsweise im rechten Winkel, ausgerichtet sind.