DE4436485C2

DE4436485C2 - Beschleunigungsermittlungsgerät

Info

Publication number: DE4436485C2
Application number: DE4436485A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Iwata; Katsuya Kogiso; Kenichi Kinoshita
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2014-10-13
Also published as: US5509308A; GB2282891A; DE4436485A1; GB9420500D0; GB2282891B

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Ermittlung der Beschleunigung eines Gegenstandes, an welchem der Sensor befestigt ist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Beschleunigungsmesser-Sensor des mit einem Medium gefüllten Typs, welcher die Beschleunigung eines Gegenstandes, an welchem der Sensor befestigt ist, aufgrund von Mediumdruckänderungen ermittelt, welche durch die Trägheit des Mediums verursacht werden.

Ein solcher Sensor ist aus der DE 32 28 149 A1 bekannt. Er enthält ein Gehäuse, ein druckempfindliches Element und ein Medium auf Gelbasis, welches in das Gehäuse eingefüllt ist, um auf das druckempfindliche Element Druck auszuüben.

Die US 4 138 893 A offenbart einen Sensor, welcher eine erste und eine zweite Kammer beinhaltet, welche in einem Gehäuse angeordnet sind. Zwischen der ersten und der zweiten Kammer ist ein Differentialdruckwandler vorgesehen. Jede der Kammern ist dicht verschlossen, wobei die erste Kammer mit einem flüssigen Meßmittel gefüllt ist. Der Differentialdruckwandler mißt die Beschleunigung aufgrund der Differenz der Drücke in der ersten und der zweiten Kammer.

Airbags sind in vielen heutigen Motorfahrzeugen Standardausrüstung geworden. Bei dieser Betonung der Motorfahrzeugsicherheit ist es wichtig zu gewährleisten, daß die Airbag-Aktivierung erst bei der Fahrzeugkollision stattfindet und nicht vorher. Das Sicherstellen der Aktivierung eines Airbags zum Zeitpunkt der Kollision eines Automobils erfordert einen Sensor, welcher genau die kollisionszugehörige Beschleunigung ermittelt, wenn benötigt.

Fig. 1 zeigt ein typisches Beispiel eines bekannten Beschleunigungsmesser-Sensors, 41, des freitragenden Typs, welcher zur Verwendung in Airbagsystemen geeignet ist. Die japanischen ungeprüften Patentanmeldungs veröffentlichungen Nr. 57-13362 und 1-156669 offenbaren andere Typen von Beschleunigungsmessern, welche druckempfindliche Sensoren enthalten.

Der Beschleunigungsmesser-Sensor 41, welcher in Fig. 1 dargestellt ist, hat ein Substrat 44 für einen Schaltkreis im unteren Zentrum in einem Gehäuse 42. Das Substrat 44 hat ein Durchgangsloch 43, welches beinahe im Zentrum gebildet ist. Das Gehäuse 42 hat eine untere Kammer 45, welche im Inneren durch das Substrat 44 begrenzt ist. Ein druckempfindliches Element 46 ist an diesem Substrat 44 in der Kammer 45 so befestigt, daß es das Durchgangsloch 43 überdeckt.

Wie in Fig. 2 dargestellt, hat das druckempfindliche Element 46 eine mit einer Ausnehmung versehene Gestalt, welche durch Ätzen einer rechtwinkligen Parallelepiped- Basis gebildet wurde. Das druckempfindliche Element 46 hat eine dünne Wand 47, welche als Ergebnis des Ätzens stehengelassen wurde. Eine Vielzahl von Belastungsmessern 48, vorzugsweise Dehnungsmessern 48, sind an der Oberfläche der dünnen Wand 47 vorgesehen, wie in Fig. 1 dargestellt, und werden unter Verwendung von Silikon-Halbleitern, welche durch einen Diffusionsprozess hergestellt wurden, gebildet. Jeder Dehnungsmesser 48 ermittelt die Deformation der dünnen Wand 47, welche durch den Druck, der auf die Wand 47 ausgeübt wird, verursacht wird, und gibt ein elektrisches Signal aus, welches dem Druck als ein Detektionssignal entspricht. Dieses druckempfindliche Element 46 wird allgemein als ein druckempfindlicher Halbleiter-Sensor-Chip des Diaphragma-Typs bezeichnet.

Das druckempfindliche Element 46 ist elektrisch mit einem elektrischen Schaltkreis verbunden, welcher auf dem Substrat 44 vorgesehen ist, welches wiederum mit einem Bleidraht 49 verbunden ist, welcher in das Gehäuse 42 eingefügt ist.

Der Sensor 41 hat ferner ein Diaphragma 50, welches im Gehäuse 42 und über dem Substrat 44 angebracht ist. Der Raum, welcher durch das Diaphragma 50 und das Substrat 44 begrenzt ist, ist mit Silikonöl als ein beschleunigungs empfindliches Medium gefüllt. Das Diaphragma 50 hat ein Durchgangsloch, welches im Zentrumsabschnitt gebildet ist, wobei ein Gewicht 53 in diesem Loch angebracht ist.

Das Gewicht 53 ist am Diaphragma 50 durch ein Verbindungselement 51 befestigt, welches am Boden des Diaphragmas 50 befestigt ist. Das Gehäuse 42 hat eine Bohrung 52, welche in der Oberseite gebildet ist. Die Bohrung 52 ermöglicht eine Verbindung zwischen dem Raum über dem Diaphragma 50 und der Außenseite des Gehäuses 42.

Wenn der Beschleunigungsmesser-Sensor 41 und der Gegenstand, an welchem dieser Sensor befestigt ist, vertikal beschleunigt werden, verschiebt sich das Diaphragma mit dem daran befestigten Gewicht 53 entweder nach oben oder nach unten. Diese Verschiebung des Diaphragmas 50 pflanzt sich fort zum Silikonöl und ändert den Öldruck. Als Ergebnis erhält das druckempfindliche Element 46 veränderliche Drücke durch das Silikonöl, und seine dünne Wand 47 biegt sich und/oder vibriert als Antwort auf die Druckänderungen. Jeder Dehnungsmesser 48 erfasst die Deformationen der dünnen Wand 47 in Verbindung mit den Öldrücken und gibt Detektionssignale aus, welche der Menge der Deformationen entsprechen. Die Intensität der erfaßten Signale steht in Wechselbeziehung mit der Größe der Beschleunigung des Gegenstandes, an welchem der Sensor 41 befestigt ist.

Der oben beschriebene Beschleunigungsmesser-Sensor 41 hat jedoch einige Probleme, welche im folgenden beschrieben werden. Da das im Gehäuse 42 enthaltene Medium Silikonöl ist, zeigt es eine große Fluidität.

Unglücklicherweise neigt die druck-fortpflanzende Geschwindigkeit des Silikonöls, wenn es beschleunigt wird, dazu langsam zu sein. Silikonöl eignet sich ferner zur Blasenbildung. Blasen im Silikonöl neigen dazu, den fließenden Strom des Öls zu dämpfen.

Es ist schwierig, die Sturzwiderstandsfähigkeit des Sensors 41 zu verbessern (wie viel Aufschlag der Sensor aushalten kann). In anderen Worten, da das Silikonöl im Gehäuse 42 einen hohen Grad an Fluidität hat, sollte die Kammer, welche zur Aufnahme des Silikonöls verwendet wird, luftdicht versiegelt sein. Um Anstiege im inneren Druck des Silikonöls zu verhindern und um die durch thermische Expansion bedingte Verschiebung des Diaphragmas 50 zu minimieren, kann ein sehr dünnes (einige hundert Mikrometer) blasebalg-förmiges Diaphragma 50 verwendet werden. Die Verwendung eines solchen dünnen Diaphragmas 50 führt jedoch zu einer schwierigen Herstellung und Montage des Sensors 41, und führt letztendlich zu höheren Herstellungskosten. Wenn der Beschleunigungsmesser-Sensor 41 von dem Zustand in Fig. 1 zum Beispiel zur Seite gesetzt wird, bewegt sich das Silikonöl aufgrund der Schwerkraft nach unten. Die Neigung des Öls im Sensor 41 verursacht, daß sich der Öldruck um das Element herum ändert. Diese Abweichung im Öldruck verändert die Offsetspannung des Sensors 41 und verschlechtert regelmäßig die anisotrope Empfindlichkeit des Beschleunigungssensors 41.

Selbst beim Diaphragma 50 des Blasebalg-Typs bilden sich leicht Blasen im Silikonöl, wenn das Öl versiegelt wird. Wie zuvor erwähnt wurde, neigt dies dazu, die Empfindlichkeit des Drucksensorelements 41 zu verschlechtern. Um die Empfindlichkeit des Sensors 41 zu verbessern kann das Gewicht 53 schwerer gemacht werden, die dünne Wand 47 dünner oder die Federelastizität des Diaphragmas 50 kann verringert werden. Luftdicht versiegeltes Silikonöl kann jedoch die Impulse, die durch das Gewicht 53 erzeugt werden, nicht ausreichend absorbieren.

Ein weiterer Nachteil herkömmlicher mit Silikonöl gefüllter Beschleunigungsmesser ist das sogenannte tanzende Phänomen, das auftritt, wenn das Silikonöl auf den besonderen Aufprall reagiert. "Tanzen" ist das Phänomen, bei welchem Silikonöl in einem stationären Zustand vibriert und diese Vibration über einen gewissen Zeitraum anhält. Dieses Phänomen verschlechtert die Detektionszuverlässigkeit des Beschleunigungsmesser- Sensors 41, welche eine Antwort insbesondere innerhalb von 100 Millisekunden erfordert.

Folglich soll durch die Erfindung die Aufgabe gelöst werden, einen Beschleunigungsmesser-Sensor zu schaffen, welcher eine ausgezeichnete Empfindlichkeit hat, insbesondere eine ausgezeichnete anisotrope Empfindlichkeit.

Ferner soll die Aufgabe gelöst werden, einen Beschleunigungsmesser-Sensor zu schaffen, welcher eine einfache Struktur hat, um die Herstellungskosten zu verringern.

Diese Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Merkmale der vorliegenden Erfindung, welche als neu angesehen werden, sind mit Besonderheiten in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Die Erfindung kann, zusammen mit ihren Zielen und Vorteilen, am besten mit Bezug auf die folgende Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt, welcher einen herkömmlichen Beschleunigungsmesser- Sensor darstellt,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht, welche ein druckempfindliches Element in dem in Fig. 1 dargestellten Sensor zeigt,

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt, welcher einen Beschleunigungsmesser-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 4 einen perspektivischen Querschnitt des in Fig. 3 dargestellten Sensors,

Fig. 5 ein Ersatzschaltungsdiagramm eines bei der Ausführungsform verwendeten druckempfindlichen Elements,

Fig. 6 ein schematisches Diagramm, welches den Lageplan von vier Deformationswiderständen im druckempfindlichen Element zeigt,

Fig. 7 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen der Masse eines Mediums pro Ein heitsfläche und der Sensorausgabe zeigt,

Fig. 8 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen der Versuchsbelastung des Sensors, wenn der Sensor von einer vor bestimmten Höhe auf einen Betonboden fallengelassen wird, und der Ausgabe empfindlichkeit des Sensors zeigt,

Fig. 9 ein Diagramm, welches das Verhältnis zwischen dem Durchmesser eines Sensor- Gehäuses und einer anisotropen Empfindlichkeit zeigt,

Fig. 10 ein beispielhaftes Diagramm, welches die Eigenschaft eines beschleunigungs-empfind lichen Mediums zeigt, welches aus einer Gelzusammensetzung als eine mechanische Struktur besteht,

Fig. 11 ein Diagramm zur Erklärung der Entstehung des Mediumdrucks, welcher von der Beschleunigung verursacht wird, und

Fig. 12 ein Diagramm zur Erklärung des Druckes, welcher auf einen Punkt in dem Medium wirkt.

Ein Beschleunigungsmesser-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist ein zylindrischer Sensor-Träger 3, welcher als ein Gehäuse dient, auf einem Substrat 2 befestigt, welches aus Keramik oder Metall hergestellt ist. Das Substrat 2 hat eine Bohrung 4, welche im Mittelabschnitt einer Fläche gebildet ist, welche vom Sensor-Gehäuse 3 umgeben ist. Ein druckempfindliches Element 46, welches als druckempfindlicher Halbleiter-Sensor-Chip des Diaphragma- Typs bezeichnet wird, ist auf der Oberseite des Substrates 2 so angebracht, daß es die Bohrung 4 blockiert.

Das druckempfindliche Element 46 hat eine mit einer Ausnehmung versehene Gestalt, wie in Fig. 2 dargestellt, welche durch Ätzen einer rechtwinkligen Parallelepiped- Basis gebildet wird. Die Oberseite einer Ausnehmung 8, welche durch das Ätzen des druckempfindlichen Elements 46 gebildet wird, ist eine dünne Wand 47, welche als ein Diaphragma dient. Eine Vielzahl von Dehnungsmessern 48, welche unter Verwendung von Silikonhalbleitern, welche durch einen Diffusionsprozess hergestellt wurden, gebildet wurden, sind auf der Oberfläche der dünnen Wand 47 angebracht. Jeder Dehnungsmesser 48 ermittelt die Deformation der dünnen Wand 47, welche durch den Druck verursacht wird, welcher auf diese Wand 47 ausgeübt wird, und gibt ein elektrisches Signal aus, welches einem Detektionssignal dieser Deformation entspricht. Um der Darstellung willen ist die relative Dicke des druckempfindlichen Elements 46 größer dargestellt als sie normalerweise ist.

Der Innenraum der Ausnehmung 8 an der Unterseite der dünnen Wand 47 ist mit der Außenseite des Sensor- Gehäuses 3 über die Bohrung 4 verbunden. Eine Vielzahl von Verbindungsdrähten 5 verbindet das druckempfindliche Element 46 elektrisch mit einem Verbindungsmuster 6, welches auf dem Substrat 2 gebildet ist. Das Sensor- Gehäuse 3 enthält ein beschleunigungsempfindliches Medium 7, welches aus einer Gelzusammensetzung besteht, welche eine vorbestimmte Dichte hat. Die Flüssigkeitsebene des Mediums 7 reicht über die Oberfläche des druckempfindlichen Elements 46 hinaus. Die Gelzusammensetzung, welche bei dieser Ausführungsform verwendet wird, ist Silikongel (Dichte von ungefähr 0,9 g/cm³ bis 1,3 g/cm³).

Die Wirkungsweise des Beschleunigungsmesser-Sensors 1 wird nun erklärt. Sobald der Gegenstand, an welchem der Beschleunigungsmesser-Sensor 1 befestigt ist, beschleunigt wird, variiert der Druck des Mediums 7 auf das druckempfindliche Element 46. Die Änderung des Drucks, welcher auf das druckempfindliche Element 46 ausgeübt wird, biegt und versetzt die dünne Wand 47 des druckempfindlichen Elements 46 in Vibration. Obwohl das Volumen der Ausnehmung 8 an der Unterseite der dünnen Wand 47 sich einer leichten Änderung unterzieht aufgrund der Biegung und Vibration der dünnen Wand 47, beeinflußt der Luftdruck in der Ausnehmung 8 nicht die dünne Wand 47, weil die Ausnehmung 8 mit der Außenseite des Sensor- Gehäuses 3 über die Bohrung 4 verbunden ist.

Jeder Dehnungsmesser 48 erfaßt die Biegung und Vibration der dünnen Wand 47 und gibt ein Detektionssignal gemäß dem Grad der Deformation aus, welche durch die Biegung und Vibration der dünnen Wand 47 verursacht wird, wobei der Grad der Deformation mit der Größe des Druckes, welcher auf die dünne Wand 47 ausgeübt wird, in Wechselbeziehung steht. In anderen Worten, das Niveau des Detektionssignals vom Dehnungsmesser 48 (oder druck empfindlichen Element 46) spiegelt die Größe der Beschleunigung des Beschleunigungsmesser-Sensors 1 und des Gegenstandes, an welchem der Sensor 1 befestigt ist, wieder. Das Detektionssignal wird über die Verbindungs drähte 5 und das Verbindungsmuster 6 einer externen Schaltung (nicht dargestellt) zugeführt, mit welcher der Beschleunigungsmesser-Sensor 1 verbunden ist.

Fig. 5 zeigt die Ersatzschaltung des druckempfindlichen Elements 46. Das druckempfindliche Element 46 enthält vier brückenverbundene Deformationswiderstände RS1 bis RS4. Eine Hochspannungs-Speisespannung V_cc wird dem Knotenpunkt zwischen den Widerständen RS1 und RS3 zugeführt. Der Knotenpunkt zwischen den Widerständen RS2 und RS4 ist geerdet. Der Knotenpunkt zwischen den Widerständen RS3 und RS4 ist mit einem ersten Ausgabeterminal 11 verbunden. Der Knotenpunkt zwischen den Widerständen RS1 und RS2 ist mit einem zweiten Ausgabeterminal 12 verbunden. Wie in Fig. 6 schematisch dargestellt, sind die einzelnen Widerstände RS1 bis RS4 an vorbestimmten Positionen entlang der dünnen Wand 47 angeordnet.

Wenn auf das druckempfindliche Element 46 Druck ausgeübt wird, nehmen die Widerstände der Deformationswiderstände RS2 und RS3 ab (der Pfeil α in Fig. 5), während die Widerstände der Deformationswiderstände RS1 und RS4 zunehmen (der Pfeil β in Fig. 5). Als Ergebnis gibt das druckempfindliche Element 46 ein Detektionssignal aus, welches dem Druck entspricht, welcher auf das Element 46 ausgeübt wird, das heißt eine Sensorspannung V_aus wird zwischen beiden Ausgabeterminals 11 und 12 erzeugt.

Das in Fig. 7 dargestellte Diagramm zeigt das Verhältnis zwischen der Masse des Mediums 7 (Silikongel) pro Einheitsfläche im horizontalen Querschnitt des Sensor- Gehäuses 3 und der Ausgabe des Beschleunigungsmesser- Sensors 1 (d. h. die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers). Im Diagramm zeigt die durchgezogene Linie die tatsächlichen Messungen bei Da = 9,5 mm, wobei Da der Durchmesser des Sensor- Gehäuses 3 ist, während die unterbrochene Linie die tatsächlichen Messungen bei Da = 15 mm zeigt. Dieses Diagramm legt nahe, daß die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmesser-Sensors 1 vom Durchmesser Da des Sensor-Gehäuses 3 ziemlich unabhängig ist, aber zur Masse des Mediums 7 proportional ist.

Das Verhältnis, welches in Fig. 7 gegeben ist, wird auch theoretisch durch die folgende Gleichung (1) bestätigt, wobei SS die Ausgabeempfindlichkeit des Beschleunigungsmesser-Sensors 1 ist, und SE (µV/kg/cm²) ist die Ausgabeempfindlichkeit des druckempfindlichen Elements 46. Die Ausgabeempfindlichkeit SE ist proportional zur Speisespannung V_cc, welche bei dieser Ausführungsform konstant (3 V) ist.

SS = K . (M/S) . SE (µV/G) (1)

wobei
K: Proportionalitätskonstante (1/G)
M: Masse des Mediums 7 = ρ . S . h (kg)
wobei
ρ: Dichte des Mediums 7
S: Bodenfläche des Sensor-Gehäuses 3 (cm²)
h: Höhe des Mediums 7 (cm)
T: Höhe des druckempfindlichen Elements 46
einschließlich Dehnungsmesser 48 (cm); h <<T (siehe Fig. 3 und 6).

Diese Gleichung (1) zeigt, daß wenn eine konstante Ausgabeempfindlichkeitsebene SE, welche durch das druckempfindliche Element 46 erzeugt wird, gegeben ist, die Ausgabeempfindlichkeit SS des Beschleunigungsmesser- Sensors 1 durch Erhöhung oder Verringerung der Masse M des Mediums 7 eingestellt werden kann. In anderen Worten, selbst nachdem der Beschleunigungsmesser-Sensor 1 montiert ist, kann die Ausgabeempfindlichkeit des Beschleunigungsmesser-Sensors 1 eingestellt werden durch Erhöhung oder Verringerung der Masse des Mediums 7. Da die Bodenfläche 5 des Sensor-Gehäuses 3 konstant bleibt, kann die Ausgabeempfindlichkeit daher durch Erhöhung oder Verringerung der Höhe h des Mediums 7 eingestellt werden.

Fig. 8 zeigt die Ergebnisse des Belastungstoleranztests der Elemente, welche in dem herkömmlichen Beschleunigungsmesser-Sensor enthalten sind, gegenüber solchen Elementen, welche in dem Sensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Bei der Kurve in diesem Diagramm stellt die vertikale Skala das Produkt (m . µV/G) der Belastungstoleranz des Elements und der Ausgabeempfindlichkeit des Elements dar, wobei m = Meter, µV = Mikrovolt und G = Schwerkraft. Die Toleranz wurde bei beiden Sensoren gemessen, welche von gleichen Höhen fallengelassen wurden. Das gemessene Ergebnis bei dieser Ausführungsform (= 300) ist 50mal größer als das des herkömmlichen Standes der Technik (= 6). Dies beruht darauf, daß Silikongel einen höheren Stoßdämpfungswert hat als Silikonöl. Diese Absorption erlaubt es dem Silikongel verbesserte Dämpfungseigenschaften zu zeigen, wenn das druckempfindliche Element 46 Änderungen in der Druckfortpflanzung erfährt. Angenommen, daß das Element dieser Ausführungsform und das Element des herkömmlichen Sensors die gleiche Bruchwiderstandsfähigkeit (d. h. wenn beide von einer Höhe von 1 m auf einen Betonboden fallengelassen werden) haben, wird die Empfindlichkeit dieser Ausführungsform 50mal größer sein als die des herkömmlichen Sensors.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Durchmesser Da des Sensor-Gehäuses 3 und dem anisotropen Empfindlichkeitsverhältnis. Die anisotrope Empfindlichkeit wird definiert als ein Verhältnis, S_x/S_z, der Ausgabeempfindlichkeit S_x in der X-Richtung (horizontale Richtung) zur Ausgabeempfindlichkeit S_z in der Z-Richtung (vertikale Richtung) (siehe Fig. 4). Der Beschleunigungsmesser-Sensor 1 sollte selektiv nur die Beschleunigung in einer tatsächlichen Richtung (d. h. in der Z-Richtung in Fig. 4) erfassen. Es ist deshalb wesentlich, daß der wirkungsvolle Beschleunigungsmesser- Sensor 1 ein kleines anisotropes Empfindlichkeitsverhältnis S_x/S_Z haben sollte.

Die Neigung der Kurve in Fig. 9, welche durch Auftragen der Beziehung zwischen dem Durchmesser Da und dem Verhältnis S_x/S_z erhalten wird, steigt nach einem bestimmten Wert scharf an. Um das anisotrope Empfindlichkeitsverhältnis S_x/S_z des Sensors 1 klein zu halten, sollte deshalb der Durchmesser Da des Sensor-Gehäuses 3 kleiner gesetzt werden als der Wert (zwischen 13 und 15), nach dem das anisotrope Empfindlichkeitsverhältnis S_x/S_z anzusteigen beginnt. Um das Verhältnis S_x/S_z gleich oder kleiner als 0,05 ( = 1/20) zu setzen, wenn V_CC = 3 (V) ist, zum Beispiel, sollte der Durchmesser Da gleich oder weniger als 13 mm gesetzt werden. Wenn die Höhe h = 10 mm und die positionelle Abweichung x = 0,25 mm. Die positionelle Abweichung, x, ist ein Index, welcher die Abweichung des druckempfindlichen Elements 46 von einer vorbestimmten Position angibt. Insbesondere bedeutet die Abweichung x die Entfernung (mm) vom Ursprung 0 in Fig. 11, welcher auf der Mittelachse des Sensor-Gehäuses 3 liegt, zum Mittelpunkt des druckempfindlichen Elements 46 in X-Richtung.

Das Prinzip der Druckdetektion durch den Beschleunigungsmesser-Sensor 1 wird nun mit Bezug auf Fig. 6 und 10 bis 12 beschrieben. Fig. 10 ist ein beispielhaftes Diagramm, welches die Eigenschaften des Mediums 7 (d. h. Silikongel) zeigt, als mechanische Struktur betrachtet. Das Gelmedium 7 kann als ein elastisches Element betrachtet werden, welches eine dreidimensionale Netzstruktur hat, bei welcher Materialpunkte gegenseitig durch Federn und Stoßdämpfer verbunden sind.

Fig. 11 zeigt dies mit einem Modell zur Erklärung der Erzeugung eines Mediumdrucks, welcher von einer Beschleunigung G erzeugt wird. Der schräge Pfeil in Fig. 11 stellt die Richtung der Beschleunigung G dar. Dies bildet einen vorbestimmten Winkel 0 mit Bezug auf die X- Richtung. In Fig. 11 liegt der Ursprung 0 auf den Koordinaten (x, z) = (0, 0). Der willkürliche Punkt A liegt auf den Koordinaten (x, z) = (X₀, Z₀). "L" ist der Punkt, wo eine Linie horizontal zum Materialpunkt A an der inneren Wand des Sensor-Gehäuses 3 über eine Feder befestigt ist. Die (x, z) Koordinaten von L sind (Da/2, Z₀). Fig. 12 zeigt begrifflich die Drücke P_x und P_z, welche auf den Materialpunkt A im Medium 7 wirken.

Vorausgesetzt, daß "ρ" die Dichte (g/cm³) des Mediums 7 ist, f = ρ G, welches die Kraft (gf/cm³) ist, welche auf ein Einheitsvolumen des Mediums 7 wirkt, f_Z = ρGsinθ, welches die Kraft (gf/cm³) ist, welche in der Z-Richtung wirkte und f_x = ρGcosθ, welches die Kraft (gf/cm³) ist, welche in der X-Richtung wirkt, dann kann die Kompressionskraft F_z pro Einheitsfläche, welche durch die Komponentenkraft f_z in der Z-Richtung am Materialpunkt A erzeugt wird, durch die folgende Gleichung (2) erhalten werden.

In ähnlicher Weise wird die Kompressionskraft F_x pro Einheitsfläche, welche durch die Komponentenkraft f_x in der X-Richtung am Materialpunkt A erzeugt wird, durch die folgende Gleichung (3) erhalten.

Der zweite Integrationsausdruck in der Gleichung (3) bedeutet, daß das Medium innerhalb des Bereichs von (-Da/2) bis x₀ als Spannung wirkt, da das Medium mit der inneren Wand des Sensor-Gehäuses 3 in Kontakt ist und am Punkt L in Fig. 11 befestigt ist.

Aus den Gleichungen (2) und (3) wird der Gesamtdruck P, welcher auf den Materialpunkt A wirkt, durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt.

P = P_z + P_x = F_z + F_x= ρG{(h - z₀)sinθ - 2x₀cosθ}(gf/cm²) (4)

Der Druck P auf die Oberfläche des druckempfindlichen Elements 46 wird erhalten durch Ersatz von z0 = T in der obigen Gleichung, und die Dicke T des Elements 46 ist klein genug um vernachlässigt (T = 0) zu werden. Daher ist der Druck P auf die Oberfläche des Elements 46 angenähert wie durch die folgende Gleichung (5) gegeben.

P = ρG(hsinθ - 2x₀cosθ) (gf/cm²) (5)

Die Ausgabeempfindlichkeit S_x in der X-Richtung und die Ausgabeempfindlichkeit S_z in der Z-Richtung sind je proportional zur Kompressionskraft F_X in der horizontalen Richtung (θ = 0°) und der Kompressionskraft F_Z in der vertikalen Richtung (θ = 90°). Deshalb wird bei Verwendung der Näherung z₀ = T = 0 das anisotrope Empfindlichkeitsverhältnis S_x/S_z durch die folgende Gleichung (6) ausgedrückt.

(S_x/S_z) = F_x(θ = 0°)/F_z(θ = 90°) = 2x₀/h (6)

Die Gleichung (6) legt nahe, daß zum Zweck der Verbesserng der anisotropen Empfindlichkeit (d. h. Verringerung des anisotropen Empfindlichkeitsverhältnisses), (1) die Höhe h des Mediums 7 vergrößert werden sollte, und (2) der Wert x₀ verringert werden sollte, wobei der Wert x₀ die positionelle Abweichung x des druckempfindlichen Elements 46 bedeutet. Um zum Beispiel das Verhältnis S_x/S_z gleich oder kleiner als 0,05 (= 1/20) zu setzen, sollte die positionelle Abweichung x auf x ≦ 0,25 mm gesetzt werden, wenn h = 10 mm.

Durch Einstellen der Höhe h und der positionellen Abweichung x auf geeignete Werte, sollte das anisotrope Empfindlichkeitsverhältnis gleich oder unter 0,1 (= 1/10) gesetzt werden, vorzugsweise gleich oder unter 0,05 (= 1/20), insbesondere vorzugsweise gleich oder unter 0,025 (= 1/40) und am günstigsten gleich oder unter 0,02 (= 1/50).

Das Verhältnis zwischen dem Druck P und der Sensorausgabespannung V_aus wird nun erörtert. Angenommen daß die Widerstände RS1 bis RS4 an den in Fig. 6 dargestellten Positionen angeordnet sind, dann sind die Gleichungen (7A) und (7B) unten erfüllt.

ΔR_S/R_S = K^ε (7A)

wobei
R_S: kombinierter Widerstand der Widerstände RS1 bis RS4
ΔR_S: eine Änderung des kombinierten Widerstandes der Widerstände RS1 bis RS4
K: Dehnungsfaktor
ε: Deformationsfaktor.

ε = K'(W/t)²P (7B)

wobei
K': Konstante, welche durch das Material oder die Form bestimmt ist (z. B. kann die Elastizität von Silikon verwendet werden)
W: Breite der dünnen Wand 47 des druckempfindlichen Elements 46 (siehe Fig. 6)
t: Dicke der dünnen Wand 47 (siehe Fig. 6).

Aus den Gleichungen (7A) und (7B) wird die folgende Gleichung (7) erfüllt.

ΔR_S/R_S = K . K'(w/t)² . P (7)

Die Potentialdifferenz V_aus zwischen den Terminals 11 und 12 wird durch die folgende Gleichung (8A) ausgedrückt.

V_aus = {(R_S4 + ΔR_S4)/(R_S3 - ΔR_S3 + R_S4 + ΔR_S4)} . V_CC
-{R_S2 - ΔRs_S2)/(R_S1 + ΔR_S1 + R_S2 - ΔR_S2)} . V_CC = (ΔP_S/R_S) . V_CC (8A)

Einsetzen der Gleichung (7) in die Gleichung (8A) ergibt

V_aus = K . K'(w/t)² . P . V_CC (8)

Ferner gibt das Einsetzen der Gleichung (5) in die Gleichung (8)

V_aus = K . K'(w/t)² . ρG(hsinθ - 2xcosθ) . V_CC (9)

Aus der Gleichung (9) geht hervor, daß die Sensorausgabespannung V_aus bei einem Anstieg der Höhe h des Mediums 7 sich vergrößert und mit einem Anstieg der positionellen Abweichung x des Elements 46 abnimmt.

Gemäß dieser Ausführungsform wird, wie im Detail oben beschrieben, Silikongel mit einer niedrigeren Fluidität als Silikonöl als das beschleunigungsempfindliche Medium 7 verwendet. Unter Aufprallbedingungen "tanzt" das Silikongel nicht im Gegensatz zu Silikonöl. Folglich zeigt der Beschleunigungsmesser-Sensor 1 dieser Ausführungsform auch außergewöhnlich reproduzierbare Detektionseigenschaften. Ferner braucht Silikongel nicht luftdicht im Sensor-Gehäuse versiegelt zu werden, und es ist unwahrscheinlich, daß Blasen im Silikongel erzeugt werden. Folglich hat der Beschleunigungsmesser-Sensor, welcher Silikongel verwendet, keine Nachteile einfach aufgrund von Blasenbildung.

Silikongel hat eine ausgezeichnete Stoßdämpfung und hat eine niedrigere Fluidität als Silikonöl. Es ist deshalb kein besonderes Hilfsmittel erforderlich, um ein Auslaufen des Mediums 7 zu verhindern, wenn der Beschleunigungsmesser-Sensor 1 hergestellt wird. Dies macht die Herstellung des Beschleunigungsmesser-Sensors 1 leichter als beim herkömmlichen Stand der Technik.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Ausgabeempfindlichkeit des Beschleunigungsmesser-Sensors 1 durch Einstellen der Menge des Mediums 7 (durch Einstellen der Höhe h des Mediums 7 zum Beispiel) gesteuert werden. Insbesondere kann die anisotrope Empfindlichkeit durch Verringerung des Durchmessers Da des Sensor-Gehäuses 3, Vergrößerung der Höhe h des Mediums 7 und Minimierung der positionellen Abweichung x des druckempfindlichen Elements 46 verbessert werden.

Ferner benötigt der Beschleunigungsmesser-Sensor 1 dieser Erfindung nicht das Diaphragma 50, das Gewicht 53, das Verbindungsmittel 51 und kein luftdichtes Versiegeln des Gehäuses 42, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Struktur des Sensors dieser Erfindung ist deshalb einfacher als die des herkömmlichen Standes der Technik, was zur Verringerung der Herstellungskosten des Sensors beiträgt.

Obwohl nur eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hier beschrieben wurde, sollte es für einen Fachmann offensichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung in vielen anderen speziellen Formen ausgeführt werden kann, ohne den Geist oder Umfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sollte erkannt werden, daß diese Erfindung in den folgenden Formen ausgeführt werden kann.

Gelzusammensetzungen als das beschleunigungsempfindliche Medium 7, welche bei dieser Erfindung verwendet werden, können andere Zusammensetzungen sein als Silikongel, solange sie nicht das Substrat 2 und das druckempfindliche Element 46 ungünstig beeinflussen. Demgemäß kann das Gelmedium Hochpolymergel sein, welches im wesentlichen aus Polyvinylalkohol besteht.

Um die Ausgabeempfindlichkeit des Beschleunigungsmesser- Sensors 1 einzustellen, kann die Masse des Mediums 7 durch Dispergieren von Partikeln eines Materials mit einer geeigneten Masse (z. B. Metall, Keramik oder synthetisches Harz) in der Gelzusammensetzung eingestellt werden. Wenn das in der Gelzusammensetzung zu dispergierende Material Metall ist, ist es günstig, wenn das Metall ein relativ großes spezifisches Gewicht hat, wie Kupfer, Eisen oder Nickel. Natürlich können eine Vielzahl von Metallen, oder eine Mischung von Metallen, Keramik und synthetischem Harz in der Gelzusammensetzung dispergiert werden.

Das druckempfindliche Element, welches bei dieser Erfindung verwendet wird, kann jede Form annehmen, solange es ein Diaphragma-Typ ist. Obwohl ein druckem pfindlicher Halbleiter-Sensor-Chip vom Diaphragma-Typ mit Dehnungsmessern 48 als das druckempfindliche Element 46 bei der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet wurde, kann jedes druckempfindliche Element vom Diaphragma-Typ verwendet werden, solange es keine Löcher in seiner Oberfläche hat. Solche Elemente schließen zum Beispiel einen druckempfindlichen Sensorchip vom Diaphragma-Typ oder einen kapazitiven druckempfindlichen Sensorchip ein, welcher ein Dünnfilm-Meßinstrument verwendet.

Das Verbindungsmuster 6 kann weggelassen werden, und die Verbindungsdrähte 5 können sich vom Sensor-Gehäuse 3 als Bleidrähte erstrecken.

Eine Abdeckung mit einem darin gebildeten Durchgangsloch kann oben auf dem Sensor-Gehäuse 3 befestigt werden.

Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform das Sensor-Gehäuse 3 ein Zylinder ist, welcher einen kreisförmigen horizontalen Querschnitt hat, braucht er nicht notwendigerweise streng symmetrisch mit Bezug auf die Mittelachse sein. D. h., es genügt, daß das Sensor- Gehäuse 3 ungefähr zylindrisch ist, oder das Sensor- Gehäuse 3 kann ein Zylinder sein, welcher einen polygonalen horizontalen Querschnitt hat. Bei dieser Beschreibung bedeutet "fast zylindrisches Gehäuse (d. h. Sensorträger 3)" ein Gehäuse, welches so einen horizontalen Querschnitt hat, daß die Mittelachse spezifiziert werden kann. Natürlich ist es möglich, ein Sensor-Gehäuse zu verwenden, welches einen horizontalen asymmetrischen Querschnitt mit Bezug auf die Mittelachse hat.

Der Beschleunigungsmesser-Sensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann so angepaßt werden, daß er in anderen Sicherheitsvorrichtungen als Airbagsystemen und Antiblockierbremssystemen und aktiven Aufhängungen von Autos verwendet werden kann.

Deshalb werden die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen als darstellend und nicht begrenzend betrachtet, und die Erfindung soll nicht auf die hier gegebenen Details beschränkt werden, sondern kann innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche abgewandelt werden.

Claims

1. Sensor zur Ermittlung der Beschleunigung eines Gegenstandes, an welchem der Sensor befestigt ist, beinhaltend ein Substrat (2), ein Gehäuse (3), welches am Substrat (2) befestigt ist, ein druckempfindliches Element (46) und ein Medium auf Gelbasis (7), welches in das Gehäuse (3) eingefüllt ist, um auf das druckempfindliche Element (46) Druck auszuüben,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Gehäuse (3) eine zylindrische Form mit einer Mittelachse hat;
das Substrat (2) eine Bohrung (4) hat, welche in einem Bereich gebildet ist, welcher von dem zylindrischen Gehäuse (3) umgeben ist;
das druckempfindliche Element (46) ein druckempfindlicher Sensor-Chip des Diaphragma-Typs ist und an dem Substrat (2) derart vorgesehen ist, daß die Bohrung (4) blockiert wird, so daß der Sensor-Chip eine obere Oberfläche hat, welche das Medium auf Gelbasis (7) kontaktiert und eine Bodenfläche hat, welche der Atmosphäre ausgesetzt ist; und daß
das druckempfindliche Element (46) an einer Position lokalisiert ist, welche von der Mittelachse des zylindrischen Gehäuses (3) um einen Wert "x" abweicht, und daß das Medium auf Gelbasis (7) innerhalb des Gehäuses (3) bis auf eine Höhe "h", gemessen relativ zur Höhe des Gehäuses, eingefüllt ist, wobei der Wert "x" und die Höhe "h" einstellbar sind, um das anisotrope Empfindlichkeitsverhältnis des Sensors einzustellen, und wobei das anisotrope Empfindlichkeitsverhältnis gleich dem Wert von 2x/h ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Gehäuse (3) einen Durchmesser von nicht mehr als 13 mm hat.

3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium auf Gelbasis (7) Silikon-Gel ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium auf Gelbasis (7) Hochpolymer-Gel ist, welches im wesentlichen aus Polyvinylalkohol besteht.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium auf Gelbasis (7) Teilchen enthält, welche in dem Medium dispergiert sind, wobei die Teilchen mindestens eine Art von Teilchen aus der Gruppe aus Metallteilchen, Keramikteilchen und synthetischen Harzteilchen sind.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert 2x/h gleich 0,05 ist.

7. Verfahren zum Einstellen der anisotropen Empfindlichkeit eines Beschleunigungsmesser-Sensors mit einem zylindrischen Gehäuse (3) mit einer Mittelachse, einem druckempfindlichen Element (46), welches am Bodenabschnitt des Gehäuses (3) angeordnet ist, und einem Medium auf Gelbasis (7), welches in das Gehäuse (3) eingefüllt ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist.
Einstellen einer Höhe "h" des Mediums in dem Gehäuse und einer positionellen Abweichung "x" des druckempfindlichen Elements mit Bezug auf die Mittelachse des Gehäuses, um das anisotrope Empfindlichkeitsverhältnis des Beschleunigungsmesser- Sensors einzustellen, wobei
das Verhältnis zwischen der Höhe "h" des Mediums im Gehäuse und der Abweichung "x" des druckempfindlichen Elements von der Mittelachse des Gehäuses gleich 2x/h ist, dessen Wert eine Funktion des anisotropen Empfindlichkeitsverhältnisses ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Durchmesser des zylindrischen Gehäuses auf einen Wert, welcher nicht größer als 13 mm ist, gesetzt wird.