EP1521972A1 - Thermischer beschleunigungs- oder stoss-sensor mit einer heizeinrichtung und verfahren - Google Patents

Thermischer beschleunigungs- oder stoss-sensor mit einer heizeinrichtung und verfahren

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Publication number
EP1521972A1
EP1521972A1 EP03709632A EP03709632A EP1521972A1 EP 1521972 A1 EP1521972 A1 EP 1521972A1 EP 03709632 A EP03709632 A EP 03709632A EP 03709632 A EP03709632 A EP 03709632A EP 1521972 A1 EP1521972 A1 EP 1521972A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heating device
sensor
temperature
fluid
heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03709632A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Arndt
Isolde Simon
Bernhard Jakoby
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1521972A1 publication Critical patent/EP1521972A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—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
    • G01P15/12—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 by alteration of electrical resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/006—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of fluid seismic masses
    • G01P15/008—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of fluid seismic masses by using thermal pick-up
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R21/00—Arrangements or fittings on vehicles for protecting or preventing injuries to occupants or pedestrians in case of accidents or other traffic risks
    • B60R21/01—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents
    • B60R21/013—Electrical circuits for triggering passive safety arrangements, e.g. airbags, safety belt tighteners, in case of vehicle accidents or impending vehicle accidents including means for detecting collisions, impending collisions or roll-over

Definitions

  • the invention is based on a sensor with a heating device and a method according to the type of the independent claims.
  • acceleration sensors mounted in particular in vehicles are used today. These mostly evaluate the movement of a seismic mass.
  • sensors based on thermal functional principles are also known.
  • such a known sensor has a trench, over which bridges are freely suspended in the transverse direction.
  • One of these bridges is used as a heating element, while two adjacent bridges act as temperature sensors. Starting with the heating element, the heating creates a temperature gradient in the direction of the temperature sensors. A sudden acceleration of the sensor changes the temperature gradient.
  • thermal acceleration sensors are relatively robust since, in contrast to sensors with a seismic mass, they do not comprise any moving parts.
  • the fine, freely suspended bridges severely limit this robustness. They are particularly vulnerable to the area around the free-hanging bridges, i.e. H. for example, particles in the air. Furthermore, they are expensive to manufacture because z. B. a conventional sawing process with these sensors is not or only very difficult to carry out.
  • the sensor according to the invention and the method according to the invention with the features of the independent claims have the advantage that a simpler, more robust sensor and. an evaluation method or a method for measurement are proposed. It is also advantageous that the heating device and the temperature measuring means are provided at the same location or in the immediate vicinity of one another. This increases the stability or the robustness of the sensor arrangement.
  • the output signal does not depend on the inclination of the sensor.
  • the output signal is independent of the direction in which the acceleration takes place.
  • the electrical resistance of the heating device and a sonication of the heating device are provided as the temperature measuring means. It is thus possible according to the invention to carry out both the heating function and the temperature measurement function by the heating device. As a result, the sensor arrangement according to the invention is simpler and cheaper to manufacture and is therefore more robust to provide at the same price.
  • the heating device is provided for operation with a constant current or a constant voltage or a constant power, the current or the voltage or the power being provided in particular as a function of a signal from an ambient temperature sensor, with the result that the sensor arrangement according to the invention can be designed such that it can be used to compensate for the sensitivity to measurement over a wide ambient temperature range.
  • thermocouple is provided at the location of the heating device or in its immediate vicinity. This makes it possible to provide a measurement of the temperature of the fluid that is independent of the electrical resistance of the heating device.
  • a plurality of heating devices and a plurality of temperature measuring means are provided. This makes it possible to use the Comparison of the temporal course of the temperatures measured with the temperature measuring means to conclude the direction of impact.
  • an arrangement of the plurality of heating devices and their sound system in the form of a Wheatstone bridge an increased output signal can also be achieved in a variant of the sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a known sensor arrangement according to the prior art
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the sensor arrangement according to the invention in a perspective illustration and in a sectional illustration
  • FIG. 3 shows the sensor arrangement according to the invention with a first variant of the
  • Figure 4 shows the sensor arrangement according to the invention with a second variant of the
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the sensor arrangement according to the invention in
  • Figure 6 shows a third embodiment of the sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 7 shows a block diagram of evaluation electronics for the first embodiment of the sensor arrangement according to the invention
  • FIG. 8 shows a possible implementation of part of the evaluation circuit
  • FIG. 9 shows a block diagram of evaluation electronics for the second embodiment of the sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 10 shows a block diagram of an evaluation electronics for the third embodiment of the sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 11 shows a representation as a function of the time of the useful signal of the sensor arrangement according to the invention in the event of a lighter impact
  • Figure 12 is a representation in function of time of the useful signal of the present invention SensoranOrduun 'g bereinem heavier impact _ ⁇
  • FIG. 13 shows a further variant of the sensor arrangement according to the invention
  • FIG. 14 shows a fourth embodiment of the sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 15 shows a fifth embodiment of the sensor arrangement according to the invention
  • FIG. 17 shows a block diagram of evaluation electronics for the fifth embodiment of the sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 a known sensor for detecting a shock, for. B. upon impact of an object on a motor vehicle, according to the prior art.
  • the sensor according to the prior art is provided with the reference symbol 100.
  • the sensor 100 comprises a trench 120, over which extremely fine, freely suspended bridges are stretched in the transverse direction. These are designated by reference numerals 130 and 140 in FIG. 1.
  • One of these bridges is used as a heating element 130, while the adjacent bridges 140 act as temperature sensors. Starting from the heating element 130, the heating forms a temperature gradient in the direction of the temperature sensors in the surrounding fluid.
  • a sudden acceleration of the sensor for example due to a shock, causes a change in the temperature gradient. This change is detected via the temperature sensors 140 and converted into an output signal proportional to the acceleration by means of evaluation electronics.
  • a disadvantage of this arrangement is that the fine, freely suspended bridges 130, 140 are not very robust. These bridges are susceptible to particles in the air or in the medium surrounding the bridges. In addition, they are expensive to manufacture because z. B. a conventional sawing process cannot be carried out with these sensors.
  • a sensor 1 according to the invention or a sensor arrangement 1 according to the invention is shown in a perspective representation in the upper part of the figure and in a sectional representation in the lower part of the figure.
  • the sensor 1 is implemented in a substrate 10, which is provided in particular as a semiconductor substrate 10.
  • the substrate 10 is also referred to below as the silicon substrate 10.
  • another semiconductor material can also be used as a substrate or also serve as a substrate material that is not a semiconductor.
  • a cavern 20 is provided in the substrate 10 of the sensor " T " , " which can only be seen in the sectional view in the lower part of the figure in Figure 2.
  • the cavern 20 can be produced, for example, from the back of the substrate 10 using bull cr-mechanical technology.
  • a membrane 25 remains on the front side of the substrate 10.
  • the formation of the cavern 20 takes place according to the invention in particular by etching the cavern 20 into the silicon substrate 10.
  • the cavern 20 is on the front side of the substrate 10 Completed by the membrane 25, which has dielectric properties and has a thermally insulating effect, there is at least one temperature-dependent resistor 30, for example made of platinum, on the membrane 25.
  • the temperature-dependent resistor 30 in addition to the temperature-dependent resistor 30 further resistances or a Thermocouple are provided on the membrane 25.
  • the membrane 25 with the structures thereon has a low thermal mass and thus has a low thermal time constant. It is thus possible to provide sensor arrangements 1 which have a time constant in the range from 1 millisecond to 15 milliseconds.
  • the resistor 30 or, in the case of a plurality of resistors, at least one of these resistors is electrically heated. If the sensor 1 is at rest, ie no acceleration forces are acting on the sensor, a narrowly limited volume of heated gas, for example air, or a conventional flow of gas forms above and below the electrically heated resistor 30. The temperature of the resistor 30 and thus its resistance value is set to a constant value.
  • the inertia of the cold air in the vicinity of the mentioned air volume or, in general, the fluid volume causes the heated volume to move away from the sensor , ie in this case moved away from the location of the temperature measurement. Because of the low time constant of the membrane 25, the resistor 30 cools down accordingly. This leads to a change in the resistance value of the resistor 30, which can be detected with an evaluation device or evaluation electronics.
  • the evaluation electronics comprise means for heating the resistor 30 and means for measuring the resistance value of the resistor 30 and for converting the same into an electrical useful signal.
  • the sensor 1 and the evaluation electronics can be used for the detection of suddenly occurring impacts.
  • the signal amplitude of the useful signal depends on the strength of the Shock dependent. Therefore, the sensor 1 can also be used for an acceleration measurement. According to the invention, it is useful if the deflection amplitude of the impact is sufficiently large, for example a few millimeters, so that the resistor 30 can move below the gas volume mentioned and thus “see” a different temperature. However, it is also clear that the minimum amplitude of the shock with respect to the distance of the deflection will be smaller, the smaller the dimensions of the resistor 30 or the cavern 20 and the entire sensor arrangement 1.
  • the sensor arrangement 1 according to the invention has a robust structure and can be manufactured using standard methods. Since cores seismic masses are needed that • can beat in a strong shock to a stop, it is possible that with such an inventive sensor large impact intensity ranges can be measured without potential damage to sensitive moving parts in the sensor first
  • the sensor 1 is based on the principle that the resistor 30 is provided as a heating device 30.
  • the heating device 30 is in thermal contact with a fluid, in particular a gas, which is located in the cavern 20 or also on the top of the membrane 25. Without the influence of an accelerating force acting on the sensor 1, the heating effect of the heating device 30 forms a thermal equilibrium in the form of a constant heat flow from the heating device 30 into the fluid. If the sensor arrangement 1 together with its heating device 30 is subjected to an accelerating force, the inertia of the fluid causes the fluid to move relative to the heating device 30, as a result of which the thermal equilibrium is changed, which leads to a temperature change at the location of the heating device or in leads to their immediate proximity.
  • a temperature measuring means is provided at the location of the heating device 30 or in its immediate vicinity, which can detect the change in the thermal equilibrium by means of a temperature change. The movement of the fluid relative to the heating device 30 can thereby be measured.
  • the electrical resistance value of the heating device 30 serves as a temperature measuring means.
  • a temperature control means separate from the heating device 30 is provided.
  • the formation of the membrane 25 in silicon oxide and silicon nitride is particularly useful according to the invention when using silicon substrate as substrate 10.
  • FIG. 3 shows a first variant of the shape of the heating device 30 in a meandering shape
  • FIG. 4 shows a second variant of the shape of the heating device 30 in a helical shape.
  • the resistance device 30 or the heating device 30 can be electrically connected to connection areas and bond pads (reference number 36) and leads 35.
  • the bond pads 36 and the leads 35 are provided on the substrate 10.
  • the resistance device 30 is provided in particular made of platinum.
  • FIG. 5 shows a second embodiment of the sensor 1 according to the invention.
  • an ambient temperature sensor 50 is provided on the substrate 10, which can also be connected by means of bond pads and supply lines, which, however, are not identified by reference numerals.
  • the ambient temperature sensor 50 the invention provides in particular also ⁇ of platinum.
  • the ambient temperature sensor 50 is provided for the detection of the ambient temperature.
  • the resistance value of the ambient temperature sensor can be used for the compensation of the measuring sensitivity of the temperature measuring means according to the invention over a wide ambient temperature range.
  • FIG. 6 shows a third embodiment of the sensor arrangement 1 according to the invention.
  • a thermal element 31 separate from the heating device 30 is now provided, which measures the temperature of the fluid at the location of the heating device or in its immediate vicinity.
  • the ⁇ noelement 31 is designed as a temperature sensor and connected by means of special leads 311 on the substrate 10 with bond pads, not designated by reference numerals. According to the invention, it is provided in the third embodiment that the thermo element 31 is provided directly at the location of the heating device 30 or in its immediate vicinity.
  • the location of the heating device 30 is understood here - in the case of a meandering film of the heating device 30 on the membrane 25 - to mean the entire membrane area which is more or less covered by the meandering structure of the heating device 30. Even if the thermocouple 31 in addition to a resistance line of the heating element 30 but inside a loop of the meandering structure of the heating device 30 is provided, the thermo element 31 is nevertheless arranged at the location of the heating device 30, since no better one is used when the heating device 30 is used as the temperature means. Spatial resolution with regard to temperature detection would be possible.
  • the thermo element 31 comprises a hot connection at its tip (letter A in FIG. 6) and a cold connection at its connection to the supply lines 311 (letter B in FIG . 6).
  • a thermocouple usually consists of two connections between two electrically conductive or semiconducting materials. A supply line leads to each of these connections. An electrical voltage can be measured between the ends of these leads as soon as a temperature difference between the two connection points occurs. Usually the hot one is then. Connection at a higher temperature than the cold connection. In the sensor described here, the hot connection is therefore on the heated membrane and the cold connection on the surrounding substrate.
  • FIG. 7 shows a block diagram of the evaluation electronics for the first embodiment of the sensor 1 according to the invention.
  • the heating resistor provided as heating device 30 on membrane 25 is operated with a constant current or a constant voltage or a constant output. This is shown in FIG. 7 for the case of a constant current.
  • the heating current is designated by the reference symbol 300 in FIG.
  • the resistance value of the heating device 30 is designated in FIG. 7 with the reference symbol 310.
  • a constant current source 301 is provided to generate the constant heating current 300.
  • the heating resistor 310 is measured by means of a voltage drop across it and fed to an amplifier circuit 60.
  • an offset correction is carried out in an offset correlation device 65 by means of an offset correction voltage 650 and the signal is then filtered in a filter device 70.
  • the useful signal 700 can then be extracted from the filter device 70 in relation to the mass 698.
  • FIG. 8 shows a possible implementation of the evaluation circuit from FIG. 7, but the filter device 70 has been dispensed with.
  • a first one Operational amplifier 330 which is connected to supply voltage 699 and ground potential 698, serves to set the constant heating current 300 through heating resistor 310, which is connected between the output of first operational amplifier 330 and its inverting input.
  • the non-inverting input of the first operational amplifier is connected to the tap of a first controllable resistor 320, which is used to set the heating current 300.
  • a first resistor 305 is arranged between ground 698 and the inverting input of the first operational amplifier 330.
  • the output signal 315 of the first operational amplifier 330 is amplified by means of a second operational amplifier 651 and offset-compensated.
  • the output of the first operational amplifier 330 is connected to the inverting input of the second operational amplifier 651 via a second resistor 306.
  • the output of the second operational amplifier 651 is further connected to the inverting input of the second operational amplifier 651 by means of a third resistor 658.
  • the second operational amplifier 651 thus serves as an amplification device 60.
  • a second controllable resistor 655 lies between the supply voltage 699 and the ground potential 698, the tap of the second controllable resistor 655 being connected via a fourth resistor 656 to the non-inverting input of the second operational amplifier 651 , Furthermore, the non-inverting.
  • the input of the second operational amplifier 651 is connected to the ground potential 698 via a fifth resistor 657.
  • the described arrangement at the non-inverting input of the second operational amplifier 651 carries out an offset compensation.
  • the second operational amplifier 651 also partially corresponds to the offset compensation device 65 from FIG. 7.
  • the (unfiltered) useful signal 700 can be tapped at the output of the second operational amplifier 651.
  • FIGS. 11 and 12 show representations of the time profile of the useful signal 700 at the output of an evaluation circuit according to FIG. 8 in the event that an impact is exerted on the sensor arrangement 1 in the middle of the time profile shown.
  • the signal shown in FIG. 11 is the signal for a lighter impact and the signal shown in FIG. 12 is the signal for a heavier impact.
  • FIG. 9 shows a block diagram of evaluation electronics for the second embodiment of the sensor arrangement 1 according to the invention.
  • the Evaluation electronics for the second embodiment of the sensor arrangement according to the invention comprises an amplification device 60, an offset compensation device 65, although the offset compensation voltage 650 was not shown in FIG. 9 for the sake of simplicity, and a filter device 70, at the output of which the useful signal 700 is compared to the Mass 698 is present.
  • the heating current 300 is regulated by the heating device 30 as a function of the ambient temperature.
  • the ambient temperature sensor 50 is provided, which in FIG.
  • control signal 320 is fed to a heating current control device 32, which controls the heating current 300 through the heating device 30 as a function of the control signal 320.
  • the control signal 320 acts in particular on the controllable constant current source 301.
  • the control signal 320 is a signal generated by the transducer and the ambient temperature sensor, which adjusts the heating of the sensor element in such a way that the shock sensitivity remains the same over a wide range of ambient temperatures.
  • the heating current 300 is still constant with regard to the time scales relevant to the detection of the movement state of the sensor arrangement 1, even if it is regulated as a function of the ambient temperature.
  • the fact is that the time constants for changing the ambient temperature and thus also the time constants for setting or changing the heating current 300 are much longer or larger than the time constants for detecting a movement of the fluid relative to the heating element 30 according to the invention.
  • the heating current 300 can therefore also be regarded as constant in the second embodiment of the invention with regard to the measurement of the movement of the fluid.
  • FIG. 10 shows evaluation electronics for use with the third embodiment of the sensor arrangement according to the invention.
  • the heating current 300 in turn flows through the heating device 30 and the resistance value 310 of the heating device 30 is dependent on the temperature of the fluid. Due to the galvanic separation between the heating device 30 and the temperature means in the form of a thermo element 31, the evaluation electronics according to the third embodiment serve as the input sensor arrangement according to the invention, the temperature signal 315 which is amplified in an amplifier device 60, is offset in an offset compensation device 65 by means of an offset compensation voltage 650 offset and is filtered in a filter device 70 in order to generate the useful signal 700.
  • the transmitter so that the heating device 30, or alternatively a constant voltage or a constant power is operated with a constant heating current 300 respectively.
  • the ⁇ noelement 31 always provides a temperature dependent voltage '315 315 as a temperature signal for generating the output signal 700 and the desired signal 700, the temperature dependent voltage 315 is amplified, offset ko ⁇ i yaws and filtered.
  • FIG. 13 shows a further construction variant of the sensor arrangement 1 according to the invention in a perspective view.
  • a cavern 20 is provided in a substrate 10, a heating device 30 being in thermal contact with the fluid in particular located in the cavern 20.
  • a membrane between the heating device 30 and the cavern is not provided in the further construction variant of the sensor arrangement 1 according to the invention.
  • the sensor 1 can thus also consist of a substrate 10 or silicon substrate 10, into which the cavern 20 is etched in such a way that a temperature-dependent resistor remains suspended above the cavern 20 as a heating device 30 in a meandering or snail shape.
  • FIG. 13 shows a bond pad 36 and a feed line 35 for the heating device 30.
  • FIG. 14 shows a fourth embodiment of the sensor arrangement 1 according to the invention, a substrate 10 and a membrane 25 again being provided, a plurality of heating devices 30, 29, 28, 27 being provided on the membrane 25 in the fourth embodiment of the sensor arrangement 1 according to the invention are.
  • Each of the heating devices 27 to 30 each has two bond pads and corresponding leads for their electrical ⁇ ⁇ connection. This is illustrated for the first heating device 30 by way of example using the bond pad 36 and the connecting line 35 in FIG. 14.
  • it is possible to infer the direction of impact by comparing the time profile of the resistance values of the heating device 27 to 30.
  • each of the heating elements 27 to 30 are connected to evaluation electronics according to the first or second embodiment. Then the impact direction and the impact intensity can be measured on the basis of the temporal position of the signals of the different heating devices 27 to 30 and their amplitudes.
  • FIG. 16 shows, by way of example, four representations of the time profile of the useful signals of the evaluation electronics assigned to the heating devices 27 to 30 but not shown.
  • the useful signal 700 of the heating device 30 is shown in the first representation.
  • the useful signal 729 of the first further heating device 29 is shown.
  • the useful signal 728 of the second further heating device 28 is shown.
  • the useful signal 727 of the third further heating device 27 is shown.
  • the signals shown in FIG. 16 correspond in principle to the signals shown in FIGS. 11 and 12, but the sign has been changed.
  • the signals 700, 729, 728, 727 have a certain time interval in this order.
  • the signals 700 and 729 are of a larger amplitude than the signals 728 and 727. From the temporal position of the signals 700, 729, 728, 727 relative to one another and the pulse height or the signal amplitude, the direction of impact and the intensity of the impact can be concluded.
  • FIG. 15 shows a fifth embodiment of the sensor assembly 1 according to the invention.
  • the heating device 30 and the first further heating device 29 are provided on the membrane 25, each of which can be electrically connected by means of lines and bond pads, which is explicitly shown in FIG. 15 for the example of the heating device 30 and the associated connecting line 35 or the associated bonding pad 36 ,
  • the heating device 30 and the first further heating device 29 represent two thermally closely coupled heating resistors which are almost always at the same temperature. If these are arranged in the opposite branches of a Wlieatstone bridge, an increased measurement signal can be generated, which can be amplified with an amplifier.
  • FIG. 17 shows evaluation electronics for the fifth embodiment of the sensor arrangement according to the invention.
  • the resistance value of the heating device 30 is provided with the reference symbol 310 and the resistance value of the first further heating device 29 is provided with the reference symbol 290. Together with a seventh resistor 294 and a third controllable resistor 295, the two resistance values 310, 290 of the heating devices 30, 29 form a Wheatstone bridge, the tap lying between the third controllable resistor 295 and the resistance value 310 being fed to the inverting input of a third operational amplifier 602 and the tapping of the Wheatstone bridge located between the resistance value 290 of the first further heating device 29 and the seventh resistor 294 is led to the non-inverting input of the third operational amplifier 602.
  • the third operational amplifier 602 serves in FIG. 17 corresponding to the amplifier 60 from the evaluation electronics shown in FIGS.
  • a low-pass filter is shown in FIG. 17 with the reference numeral 71, which serves to band-limit the useful signal 700, which reduces the Noise component and an increase in the signal-to-noise ratio is used.
  • a filter 70 in FIG. Bandpass filter 72 are used for filtering 70, which results in the possibility of offset voltages and slow drifting of the signal, e.g. B. due to temperature changes - to el ⁇ ninieren.
  • the sensitivity of the sensor 1 can be influenced by the use as a fluid of filling gases other than air or by the use of different filling pressures of the gas surrounding the sensor. Both the density of the gas used and its heat capacity are important. The sensor can thus be set for different measuring ranges.

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Abstract

Es wird ein thermischer Sensor (1) und ein Verfahren vorgeschlagen, wobei der Sensor der Messung der Bewegung eines Fluids relativ zu einer Heizeinrichtung (30), speziell rue Bestimmung von Beschleunigung oder Stoßereignissen, dient, wobei Temperaturmessmittel (30, 31) derart vorgesehen sind, in Abhängigkeit der Bewegung des Fluids die Temperatur des Fluids an einem Messort zu messen, wobei als Messort der Ort der Heizeinrichtung oder in ihrer umnittelbaren Nähe vorgesehen ist. Durch Überwachung der Temperatur des Heizelementes ist ein einfacher Aufbau möglich. Mehrdimensionale Messungen sind ebenfalls möglich. Die Heizleistung kann abhängig von der Umgebungstemperatur variiert werden.

Description

Sensor mit einer Heizeinrichtung und Verfahren
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit einer Heizeinrichtung und einem Verfahren nach der Gattung der nebengeordneten Ansprüche. Für die Detektion eines Stoßes, z. B. beim Aufprall eines Gegenstandes auf ein Kraftfahrzeug, werden heute insbesondere im Fahrzeug angebrachte Beschleunigungssensoren eingesetzt. Diese werten zumeist die Bewegung einer seismischen Masse aus. Bekannt sind jedoch auch auf thermischen Funktionspxinzipien basierende Sensoren. Beispielhaft weist ein solcher bekannter Sensor einen Graben auf, über den in Querrichtung freihängende Brücken aufgespannt sind. Eine dieser Brücken wird als Heizelement genutzt, während zwei danebenliegende Brücken als Temperaturfühler fungieren. Durch die Beheizung bildet sich, ausgehend Vom Heizelement, ein Temperaturgradient in Richtung der Temperatursensoren. Eine plötzliche Beschleunigung des Sensors bewirkt eine Veränderung des Temperaturgradienten. Solche bekannten thermischen Beschleunigungssensoren sind relativ robust, da sie im Gegensatz zu Sensoren mit seismischer Masse keine beweglichen Teile umfassen. Die feinen, frei aufgehängten Brücken schränken diese Robustheit jedoch stark ein. Sie sind insbesondere anfällig auf sich in der Umgebung der freiaufgehängten Brücken, d. h. also beispielsweise in der Luft, befindliche Partikel. Weiterhin sind sie aufwendig zu fertigen, da z. B. ein konventioneller Sägeprozess bei diesen Sensoren nicht oder nur sehr schwer durchführbar ist.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor und das erfϊndungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass ein einfacherer, robusterer Sensor und. eine Auswertemethόde bzw. ein Verfahren zur Messung vorgeschlagen werden. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Heizeinrichtung und die Temperaturmessmittel an ein und demselben Ort bzw. in unmittelbarer Nähe voneinander vorgesehen sind. Dies erhöht die Stabilität bzw. die Robustheit der Sensoranordnung.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Sensors und des Verfahrens möglich.
Bei der erfϊndungsgemäßen Ausführung eines thermischen Stoß- und Beschleunigungssensors tritt im Gegensatz zu bekannten Sensoren keine Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Neigung des Sensors auf. Außerdem ist das Ausgangssignal unabhängig von der Richtung in die die Beschleunigung erfolgt."
Weiterhin ist von Vorteil, dass als Temperaturmessmittel der elektrische Widerstand der Heizeinrichtung und eine Beschallung der Heizeinrichtung vorgesehen ist. Damit ist es erfindungsgemäß möglich, sowohl die Funktion der Aufheizung als auch die Funktion der Temperaturmessung durch die Heizeinrichtung durchzuführen. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Sensoranordnung einfacher und billiger herzustellen und somit bei gleichem Preis auch robuster vorzusehen.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die Heizeinrichtung zum Betrieb mit einem konstanten Strom oder einer konstanten Spannung oder einer konstanten Leistung vorgesehen ist, wobei der Strom oder die Spannung oder die Leistung insbesondere in Abhängigkeit eines Signals eines Umgebungstemperaturfühlers vorgesehen ist, was zur Folge hat, dass die erfϊndungs gemäße Sensoranordnung derart auslegbar ist, dass sie für eine Kompensation der Messempfϊndlichkeit über einen weiten Umgebimgstemperaturbereich benutzt werden kann.
Weiterhin ist von Vorteil, dass ein Thermoelement am Ort der Heizeinrichtung oder in ihrer unmittelbaren Nähe vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, eine von dem elektrischen Widerstand der Heizeimichtung unabhängige Messung der Temperatur des Fluids vorzusehen.
Weiterhin ist von Vorteil, dass eine Mehrzahl von Heizeinrichtungen und eine Mehrzahl von Temperaturmessmitteln vorgesehen ist. Dadurch ist es möglich, anhand des Vergleichs des zeitlichen Verlaufs der mit den Temperaturmessmitteln gemessenen Temperaturen auf die Stoßrichtung zu schließen. Bei einer Anordnung der Mehrzahl von Heizeinrichtungen und ihre Beschallung im Form einer Wheatstoneschen Brücke lässt sich in einer Variante der erfindungsgemäße Sensoranordnung auch ein erhöhtes Ausgangssignal erreichen. Weiterhin ist es bei einer Mehrzahl von Heizeinrichtungen möglich, anliand der zeitlichen Lage der Signale und der Amplituden die Stoßrichtung und die Stoßintensität zu messen.
Zeichnung
Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnimg dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine bekannte Sensoranordnung nach dem Stand der Technik,
Figur 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in eine perspektivische Darstellung und in einer Schnittdarstellung,
Figur 3 die erfmdungsgemäßε Sensoranordnung mit einer ersten Variante der
Heizeinrichtung,
Figur 4 die erfindungsgemäße Sensoranordnung mit einer zweiten Variante der
Heizeinrichtung,
Figur 5 eine zweite Ausfuhrungsform der erfϊndungsgemäßen Sensoranordnung in
Draufsicht,
Figur 6 eine dritte Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung in
Draufsicht,
Figur 7 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik für die erste Ausf hrungsfoπri der erfindungsgemäßen S ensoranordnung,
Figur 8 eine mögliche Realisierung eines Teils der Auswerteschaltung,
Figur 9 ein-Blockschaltbild einer Auswerteelektronik für die zweite Ausführungsforrα der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Figur 10 ein Blockschaltbild einer Auswerteelel tronik für die dritte Ausführungsforrα der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Figur 11 eine Darstellung in Abhängigkeit der Zeit des Nutzsignals der' erfindungsgemäßen Sensoranordnung bei einem leichteren Stoß, Figur 12 eine Darstellung in Abhängigkeit der Zeit des Nutzsignals der erfindungsgemäßen SensoranOrduun'g bereinem schwereren_Stoß~
Figur 13 eine weitere Aulbauvariante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Figur 14 eine vierte Ausfiihrungsform der erfindungs gemäßen Sensoranordnung,
Figur 15 eine fünfte Ausführungsform der erfϊndungsgemäßen Sensoranordnung,
Figur 16 vier Darstellungen in Abhängigkeit der Zeit der Nutzsignale gemäß der vierten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Figur 17 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik für die fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
Beschreibung der Ausffihrungsbeispiele '
In Figur 1 ist beispielhaft ein bekannter Sensor zur Detektion eines Stoßes, z. B. beim Aufprall eines Gegenstandes auf ein Kraftfahrzeug, nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Sensor nach dem Stand der Technik ist mit dem Bezugszeichen 100 versehen. Der Sensor 100 umfasst einen Graben 120, über den in Querrichtung extrem feine, freihängende Brücken aufgespannt sind. Diese sind in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 130 und 140 bezeichnet. Eine dieser Brücken wird als ein Heizelement 130 genutzt, während die danebenliegenden Brücken 140 als Temperaturfühler fungieren. Durch die Beheizung bildet sich, ausgehend vom Heizelement 130, im umgebenden Fluid ein Temperaturgradient in Richtung der Temperatursensoren aus. Eine plötzliche Beschleunigung, beispielsweise durch einen Stoß, des Sensors bewirkt eine Veränderung des Temperaturgradienten. Über die Temperatursensoren 140 wird diese Veränderung detektiert und mittels einer Auswerteelektronik in ein der Beschleunigung proportionales Ausgangssignal umgewandelt. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, -dass die feinen, freiaufgehängten Brücken 130, 140 nicht sehr robust sind. Diese Brücken sind anfällig auf sich in der Luft bzw. in dem die Brücken umgebenden Medium, befindenden Partikel. Außerdem sind sie aufwendig zu fertigen, da z. B. ein konventioneller Sägeprozess bei diesen Sensoren nicht durchführbar ist.
In Figur 2 wird in einer perspektivischen Darstellung im oberen Teil der Figur und in einer Schnittdarstellung im unteren Teil der Figur ein erfindungsgemäßer Sensor 1 bzw. eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 dargestellt. Der Sensor 1 ist realisiert in einem Substrat 10, welches insbesondere, als Halbleitersubstrat 10 vorgesehen ist. Beispielhaft wird das Substrat 10 im folgenden auch als Siliziumsubstrat 10 bezeichnet. Es kann jedoch auch ein anderes Halbleitermaterial als Substrat Verwendung finden bzw. auch ein Material als Substrat dienen, welches kein Halbleiter ist. In dem Substrat 10 des Sensors "T" ist eine Kaverne 20 vorgesehen, " welche in Figur 2 lediglich in der Schnittdarstellung im unteren Teil der Figur -sichtbar ist. Die Kaverne 20 ist beispielsweise von der Rückseite des Substrats 10 in Bull r kromechaniktechnologie herstellbar. Nach der Fertigung der Kaverne 20 in dem Substrat 10 verbleibt an der Vorderseite des Substrats 10 eine Membran 25 stehen. Die Ausbildung der Kaverne 20 geschieht erfindungsgemäß insbesondere durch Ätzung der Kaverne 20 in das Siliziumsubstrat 10. Die Kaverne 20 wird auf der Vorderseite des Substrates 10 von der Membran 25 abgeschlossen, welche dielektrische Eigenschaften aufweist und theπnisch isolierend wirkt. Auf der Membran 25 befindet sich mindestens ein temperaturabhängiger Widerstand 30, beispielsweise aus Platin. In weiteren Ausfülrungsfonnen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 ist es auch vorgesehen, dass zusätzlich zu dem temperaturabhängigen Widerstand 30 weitere Widerstände bzw. ein Thermoelement auf der Membran 25 vorgesehen sind. Wichtig bei allen Ausführungsfoπnen der Erfindung ist hierbei, dass die Membran 25 mit den sich darauf befindlichen Strakfuren eine geringe theπnische Masse aufweist und somit eine geringe thermische Zeitkonstante besitzt. So ist es möglich, Sensoranordnungen 1 vorzusehen, welche eine Zeitkonstante im Bereich von 1 Millisekunde bis 15 Millisekunden aufweisen. Im Betrieb wird der Widerstand 30 bzw. bei einer Mehrzahl von Widerständen wenigstens einer dieser Widerstände elektrisch beheizt. Befindet sich der Sensor 1 in Ruhe, d. h. wirken auf den Sensor keine Beschleunigungskräfte, so bildet sich über und unter dem elektrisch beheizten Widerstand 30 ein eng begrenztes Volumen erwärmten Gases, beispielsweise Luft, oder ein Konventionsstrom des Gases aus. Die Temperatur des Widerstandes 30 und damit sein Widerstandswert stellt sich auf einen konstanten Wert ein. Wird der Sensor beschleunigt und erfährt dabei eine ausreichend große Streckenamplitude, beispielsweise durch eine ruck- bzw. stoßartige seitliche Bewegung, so bewirkt die Trägheit der kalten Luft in der Umgebung des erwännten Luftvolumens bzw. allgemein, des Fluidvolumens, dass sich das erwärmte Volumen vom Sensor, d.h. in diesem Fall vom Ort der Temperaturmessung, wegbewegt. Aufgrund der geringen Zeitkonstante der Membran 25 kühlt sich der Widerstand 30 dabei entsprechend ab. Dies führt zu einer Änderung des Widerstandswertes des Widerstands 30, welche mit einer Auswertevorrichtung bzw. einer Auswerteelektronik detektiert werden kann. Die Auswerteelektronik umfasst Mittel zum Beheizen des Widerstandes 30 und Mittel zur Messung des Widerstandswertes des Widerstands 30 und zur Umwandlung desselben in ein elektrisches Nutzsignal. Der Sensor 1 und die Auswerteelektronik können für die Detektion von plötzlich auftretenden Stößen genutzt werden. Die Signalamplitude des Nutzsignals ist von der Stärke des Stoßes abhängig. Daher kann der Sensor 1 auch für eine Beschleunigungsmessung verwendet werden. Erfindungsgemäß ist es- sinnvoll, wenn die Auslenkungsamplitude des Stoßes genügend groß ist, beispielsweise einige Millimeter, damit sich- der Widerstand 30 unter dem erwäπnten Gasvolumen wegbewegen kann und somit eine andere Temperatur „sehen" kann. Es ist jedoch auch klar, dass die Mindestamplitude des Stoßes hinsichtlich der Strecke der Auslenkung umso kleiner sein wird, je kleiner die Abmessungen des Widerstandes 30 bzw. der Kaverne 20 und der gesamten Sensoranordnung 1 ist.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 weist einen robusten Aufbau auf und kann mit Standardverfahren gefertigt werden. Da kerne seismischen Massen benötigt werden, die • bei einem starken Stoß an einen Anschlag schlagen können, ist es möglich, dass mit solch einem erfindungsgemäßen Sensor große Stoßintensitätsbereiche ohne potenzielle Beschädigung empfindlicher beweglicher Teile im Sensor 1 gemessen werden können.
Der Sensor 1 beruht dabei auf dem Prinzip, dass der Widerstand 30 als Heizeinrichtung 30 vorgesehen ist. Die Heizeinrichtung 30 befindet sich im thermischen Kontakt zu einem Fluid, insbesondere einem Gas, welche sich in der Kaverne 20 bzw. auch auf der Oberseite der Membran 25 befindet. Ohne den Einfluss einer auf den Sensor 1 wirkenden beschleunigenden Kraft bildet sich durch die Heizwirkung der Heizeinrichtung 30 ein thermisches Gleichgewicht in Form eines ständigen Wärmestroms von der Heizeinrichtung 30 in das Fluid aus. Ist die Sensoranordnung 1 samt ihrer Heizeinrichtung 30 einer beschleunigenden Kraft ausgesetzt, so kommt es durch die Trägheit des Fluids zu einer Bewegung des Fluids relativ zu der Heizeinrichtung 30, wodurch das thermische Gleichgewicht geändert wird, was zu einer Temperaturveränderung am Ort der Heizeinrichtung bzw. in ihrer unmittelbaren Nähe führt. Erfindungs gemäß ist am Ort der Heizeinrichtung 30 bzw. in ihrer unmittelbaren Nähe ein Temperaturmessmittel vorgesehen, welches die Änderung des thennischen Gleichgewichts mittels einer Temperaturänderung detektieren kann. Dadurch ist die Bewegung des Fluids relativ zu der Heizeinrichtung 30 messbar. Erfindungsgemäß ist bei einer ersten und zweiten Ausführungsform des Sensors 1 vorgesehen, dass der elektrische Widefstandswert der Heizeinrichtung 30 als Temperaturmessmittel dient. Bei einer dritten Ausführungsfonn des Sensors 1 ist ein von der Heizeinrichtung 30 getrenntes Temperatunnessmittel vorgesehen.
Gemäß den verschiedenen Ausführiingsformen der Erfindung ist es vorgesehen, über der Kaverne 20 die thermisch isolierenden Membran 25, insbesondere aus Siliziumoxyd und Siliziumnitrid vorzusehen. Die Ausbildung der Membran 25 im Siliziumoxyd und Siliziumnitrid ist insbesondere bei der Verwendung von Siliziumsubstrat als Substrat 10 erfindungsgemäß sinnvoll. Auf der Membran 25 befindet sich eine Heizeinrichtung 30 bzw. eine Mehrzahl von Heizeimichtungen 30, welche unterschiedlich geformt sein können. In Figur 3 ist eine erste Variante der Form der Heizeinrichtung 30 in Mäanderform und in Figur 4 eine zweite Variante der Form der Heizeinrichtung 30 in Schneckenform dargestellt. Sowohl in der Figur 2 als auch in den Figuren 3 und 4 ist die Widerstandseinrichtung 30 bzw. die Heizeinrichtung 30 mit Anschlussflächen und Bondpads (Bezugszeichen 36) und Zuleitungen 35 elektrisch verbindbar. Die Bondpads 36 und die Zuleitungen 35 sind auf dem Substrat 10 vorgesehen. Die Widerstandseinrichtung 30 ist insbesondere aus Platin vorgesehen.
In Figur 5 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 1 dargestellt. Bei der zweiten Ausführungsfoπn ist neben der Heizeinrichtung 30 im Bereich der Membran 25 ein Umgebungstemperaturfühler 50 auf dem Substrat 10 vorgesehen, welcher ebenfalls mittels Bondpads und Zuleitungen, welche jedoch nicht durch Bezugszeichen bezeichnet sind, verbindbar ist. Der Umgebungstemperaturfühler 50 ist erfindungsgemäß insbesondere ebenfalls ■ aus Platin vorgesehen. Der LTmgebungstεmperaturfühler 50 ist für die Detektion der Umgebungstemperatur vorgesehen. Der Widerstandswert des Umgebungstemperaturfühlers kann für die Kompensation der Messempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Temperaturmessmittel über einen weiten Umgebungstemperaturbereich genutzt werden.
In Figur 6 ist eine dritte Ausführungsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 dargestellt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform ist jetzt ein von der Heizeinrichtung 30 separates Theπnoelement 31 vorgesehen, welches die Temperatur des Fluids am Ort der Heizemrichtung bzw. in ihrer unmittelbaren Nähe misst. - Das Theπnoelement 31 ist als Temperaturfühler ausgebildet und mittels speziellen Zuleitungen 311 auf dem Substrat 10 mit nicht näher mit Bezugszeichen bezeichneten Bondpads verbunden. Erfindungsgemäß ist es bei der dritten Ausführungsform vorgesehen, dass das Theπnoelement 31 direkt am Ort der Heizeinrichtung 30 bzw. in ihrer unmittelbaren Umgebung vorgesehen ist. Als der Ort der Heizeinrichtung 30 wird hierbei - für den Fall einer mäanderfoπnigen Foπn der Heizeinrichtung 30 auf dem Membran 25 - die gesamte Membranfläche verstanden, welche von der Mäanderstruktur der Heizeinrichtung 30 mehr oder weniger abgedeckt wird. Auch wenn das Thermoelement 31 neben einer Widerstandsleitung des Heizelementes 30 aber innerhalb einer Schleife der mäanderföπnigen Struktur der Heizeinrichtung 30 vorgesehen ist, ist das Theπnoelement 31 dennoch am Ort der Heizeinrichtung 30 angeordnet, da auch bei der Verwendung der Heizeinrichtung 30 als Temperatuπnessmittel keine bessere . Ortsauflösung hinsichtlich der Temperaturdetektion möglich wäre.
Das Theπnoelement 31 umfasst an seiner Spitze eine heiße Verbindung (Buchstabe A in Figur 6) und an seiner Verbindung zu den Zuleitungen 311 (Buchstabe B in Figur '6) eine kalte Verbindung. Ein Thermoelement besteht üblicherweise aus zwei Verbindungen zwischen jeweils zwei elektrisch leitenden oder halbleitenden Materialien. Zu jedem dieser Verbindungen führt eine Zuleitung. Zwischen den Enden dieser Zuleitungen kann eine elektrische Spannung gemessen werden, sobald eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Verbindungspunkten auftritt. Üblicherweise befindet sich dann die heiße . Verbindung auf einer höheren Temperatur als die kalte Verbindung. Bei dem hier beschriebenen Sensor befindet sich daher die heiße Verbindung auf der beheitzten Membran und die kalte Verbindung auf dem umgebenden Substrat. Bei der dritten Ausführungsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 ist es natürlich auch möglich, eine Mehrzahl von Thermoelementen 31 am Ort der Heizeinrichtung 30 oder in ihrer unmittelbaren Nähe vorzusehen.
In Figur 7 ist ein Blockschaltbild der Auswerteelektronik für die erste Ausführungsfoπn des erfindungsgemäßen Sensors 1 dargestellt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der als Heizeinrichtung 30 vorgesehene Heizwiderstand auf der Membran 25 mit einem konstanten Strom oder einer konstanten Spannung oder einer konstanten Leistung betrieben wird. Dies ist in Figur 7 für den Fall eines konstanten Stromes dargestellt. Der Heizstrom ist in Figur 7 mit dem Bezugszeichen 300 bezeichnet. Der Widerstandswert der Heizeinrichtung 30 ist in Figur 7 mit dem Bezugszeichen 310 bezeichnet. Zur Erzeugung des konstanten Heizstroms 300 ist erfindungsgemäß eine Konstantstromquelle 301 vorgesehen. Der Heizwiderstand 310 wird mittels Spannungsabfall über ihm gemessen und einer Verstärkerschaltung 60 zugeführt. Nach der Verstärkung in der Verstärkerschaltung 60 wird in einer Offset-Korrel tureinrichtung 65 mittels einer Offset- Korrekturspannung 650 eine Offset-Korrektur durchgeführt und anschließend das Signal in einer Filtereinrichtung 70 gefiltert. Der Filtereinrichtung 70 ist dann das Nutzsignal 700 gegenüber der Masse 698 entnehmbar.
In Figur 8 ist eine mögliche Realisierung der Auswerteschaltung aus Figur 7 dargestellt, wobei jedoch auf die Filtereinrichtimg 70 verzichtet wurde. Ein erster Operationsverstärker 330, welcher mit der Versorgungsspannung 699 und dem Massepotenzial 698 verbunden ist, dient zur Einstellung des konstanten Heizstroms 300 durch den Heizwiderstand 310, welcher zwischen den Ausgang des ersten Operationsverstärkers 330 und seinen invertierenden Eingang geschaltet ist. Der nicht invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers ist mit dem Abgriff eines ersten regelbaren Widerstandes 320 verbunden, der zur Einstellung des Heizstromes 300 dient. Weiterhin ist zwischen Masse 698 und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 330 ein erster Widerstand 305 angeordnet. Das Äusgangssignal 315 des ersten Operationsverstärkers 330 wird mittels eines zweiten Operationsverstärkers 651 verstärkt und Offset-kompensiert. Hierzu ist der Ausgang des ersten Operationsverstärkers 330 über einen zweiten Widerstand 306 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 verbunden. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 651 ist weiterhin mittels eines dritten Widerstandes 658 mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 verbunden. Damit dient der zweite Operationsverstärker 651 als Verstärkungseinrichtung 60. Weiterhin liegt ein zweiter regelbarer Widerstand 655 zwischen der Versorgungsspannung 699 und dem Massepotenzial 698, wobei der Abgriff des zweiten regelbaren Widerstandes 655 über einen vierten Widerstand 656 mit dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 verbunden ist. Weiterhin ist der nicht invertierende . Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 über einen fünften Widerstand 657 mit dem Massepotenzial 698 verbunden. Durch die beschriebene Anordnung an dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 651 wird eine Offset-Kompensation durchgeführt. Somit entspricht der zweite Operationsverstärker 651 teilweise auch der Offset-Kompensationseinrichtung 65 aus Figur 7. Am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 651 ist das (ungefilterte) Nutzsignal 700 abgreifbar.
Die Figuren 11 und 12 zeigen Darstellungen des zeitlichen Verlaufs des Nutzsignals 700 am Ausgang einer Auswerteschaltung gemäß Figur 8 für den Fall, dass in der Mitte des dargestellten zeitlichen Verlaufs ein Stoß auf die Sensoranordnung 1 ausgeübt wird. Hierbei handelt es sich bei dem in Figur 11 dargestellten Signal um das Signal für einen leichteren Stoß und bei dem in Figur 12 dargestellten Signal um das Signal für einen schwereren Stoß.
In Figur 9 ist ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik für die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 dargestellt. Auch die Auswerteelektronik für die .zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung umfasst eine Verstärlαingseinrichtung 60, eine Offset- Kompensationseinrichtung 65, wobei jedoch in Figur 9 die Offset- Kompensationsspannung 650 der Einfachheit halber nicht dargestellt wurde, und eine Filtereinrichtung 70, an deren Ausgang das Nutzsignal 700 gegenüber der Masse 698 anliegt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist es bei der zweiten Ausführungsform der erfindungs gemäßen Sensoranordnung 1 jedoch vorgesehen, dass der Heizstrom 300 durch ' die Heizeinrichtung 30 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur geregelt wird. Hierzu ist bei der zweiten Ausführungsform der Umgebungstemperaturfühler 50 vorgesehen, der in Figur 9 mit einem Messwandler 55 verbunden ist, der das Signal des Umgebungstemperaturfühlers 50 in ein Steuersignal 320 wandelt, welches der Anpassung des Heizstromes 300 an die jeweilige Umgebungstemperatur dient. Hierzu wird das Steuersignal 320 einer Heizstromregeleinrichtung 32 zugeführt, welche in Abhängigkeit des Steuersignals 320 den Heizstrom 300 durch die Heizeinrichtung 30 regelt. Hierbei wirkt das Steuersignal 320 insbesondere auf die steuerbare Konstantstromquelle 301 ein. Das Steuersignal 320 ist ein vom Messwandler und dem Umgebungstemperaturfühler erzeugtes Signal, das die Beheizung des Sensorelements so anpasst, dass die Stoßempfindlichkeit in einem weiten ' Umgebungstemperaturbεreich gleich bleibt. Es ist bei der zweiten Ausfülirungsfor der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 zu beachten, dass der Heizstrom 300 im Hinblick auf die für die Detektion des Bewegungszustands der Sensoranordnung 1 relevanten Zeitskalen nach wie vor konstant ist, auch wenn er in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur geregelt wird. Es ist nämlich so, dass die Zeitkonstanten, zur Änderung der Umgebungstemperatur und damit auch die Zeitkonstanten zur Einstellung bzw. zur Änderung des Heizstromes 300 sehr viel länger bzw. größer sind als die Zeitkpnstanten zur Detektion einer Bewegimg des Fluids relativ zu dem erfindungsgemäßen Heizelement 30. Daher kann der Heizstrom 300 auch bei der zweiten Ausfülirungsform der Erfindung hinsichtlich der Messung der Bewegung des Fluids als Konstant angesehen werden.
In Figur 10 ist eine Auswerteelektronik zur Verwendung mit der dritten Ausführangsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung dargestellt. Durch die Heizeinrichtung 30 fließt wiederum der Heizstrom 300 und der Widerstandswert 310 der Heizeinrichtung 30 ist abhängig von der Temperatur des Fluids. Durch die galvanische Trennung zwischen der Heizeinrichtung 30 und dem Temperatuπnessmittel in Foπn eines Theπnoelements 31 dient als Eingang der Auswerteelektronik gemäß der dritten Ausfül πingsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung das Temperatursignal 315 welches in' einer Verstärkereinrichtung 60 verstärkt wird, in einer Offset-Kompensationseinrichtung 65 mittels einer Offset-Kompensationsspannung 650 Offset koπigiert wird und in einer Filtereinrichtung 70 gefiltert wird um das Nutzsignal 700 zu erzeugen. Auch bei der dritten Ausführungsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist • die Auswerteelektronik so vorgesehen, dass die Heizeinrichtung 30 mit einem konstanten Heizstrom 300 bzw. alternativ einer konstanten Spannung oder einer konstanten Leistung betrieben wird. Das Theπnoelement 31 liefert immer eine temperaturabhängige Spannung' 315 als Temperatursignal 315. Für die Erzeugung des Ausgangssignals 700 bzw. Nutzsignals 700 wird die temperaturabhängige Spannung 315 verstärkt, Offset-koπi giert und gefiltert.
In Figur 13 ist eine weitere Aufbauvariante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 in perspektivischer Darstellung dargestellt. Hierbei ist wiederum eine Kaverne 20 in einem Substrat 10 vorgesehen, wobei eine Heizeinrichtung 30 im thermischen Kontakt mit dem sich insbesondere in der Kaverne 20 befindenden Fluid steht. Eine Membran zwischen der Heizemrichtung 30 und der Kaverne ist in der weiteren Äufbauvariante der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 nicht vorgesehen. Der Sensor 1 kann damit auch aus einem Substrat 10 bzw. Siliziumsubstrat 10 bestehen, in welches die Kaverne 20 so eingeätzt wird, dass über der Kaverne 20 freihängend ein temperaturabhängiger Widerstand als Heizeinrichtung 30 in Mäander- oder in Schneckenform stehen bleibt. Dadurch verringert sich die themiische Masse des Widerstands 30 gegenüber der ersten, zweiten und dritten Ausführungsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung, welche eine Membran 25 aufweisen. Das Weglassen der Membran führt zu einer geringeren theπnischen Zeitkonstante und damit zu einer höheren Empfindlichkeit des Sensors 1. In Figur 13 ist, wie in den vorhergehenden Figuren auch, ein Bondpad 36 und eine Zuleitung 35 für die Heizeinrichtung 30 dargestellt.
In Figur 14 ist eine vierte Ausfiüirungsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 dargestellt, wobei wiederum ein Substrat 10 und eine Membran 25 vorgesehen sind, wobei auf der Membran 25 bei der vierten Ausfülirungsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 eine Mehrzahl von Heizeinrichtungen 30, 29, 28, 27 vorgesehen sind. Jeder der Heizeinrichtungen 27 bis 30 weist jeweils zwei Bondpads und entsprechende Zuleitungen für ihre elektrische λ^erbindung auf. Dies ist für die erste Heizeinrichtung 30 beispielhaft mittels des Bondpads 36 und der Anschlussleitung 35 in Figur 14 dargestellt. Bei der vierten Ausführungsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es durch den Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Widerstandswerte der Heizeimichtung 27 bis 30 möglich, auf die Stoßrichtung zu schließen. Hierzu ist es notwendig, dass jeder der Heizeimichtimgen 27 bis 30 mit einer Auswerteelektronik gemäß der ersten oder zweiten Ausführungsfoπn verbunden sind. Dann kann anhand der zeitlichen Lage der Signale der unterschiedlichen Heizeinrichtungen 27 bis 30 und ihren Amplituden die Stoßrichtimg und die Stoßintensität gemessen werden.
hi Figur 16 sind beispielhaft vier Darstellungen des zeitlichen Verlaufs der Nutzsignale der den Heizeinrichtungen 27 bis 30 zugeordneten aber nicht dargestellten Auswerteelektroniken dargestellt. Hierbei ist in der ersten Darstellung das Nutzsignal 700 der Heizeinrichtung 30 dargestellt. In der zweiten Darstellung in Figur 16 ist das Nutzsignal 729 der ersten weiteren Heizeinrichtung 29 dargestellt. In der dritten Darstellung ist das Nutzsignal 728 der zweiten weiteren Heizeinrichtung 28 dargestellt. In der vierten Darstellung ist das Nutzsignal 727 der dritten weiteren Heizeinrichtung 27 dargestellt. Die in Figur 16 dargestellten Signale entsprechend vom Prinzip her den in den Figuren 11 und 12 dargestellten Signale, wobei jedoch eine Vorzeichenänderung durchgeführt wurde. Die Signale 700, 729, 728, 727 haben in dieser Reihenfolge einen gewissen zeitlichen Abstand. Weiterhin sind die Signale 700 und 729 von einer größeren Amplitude als die Signale 728 und 727. Aus der zeitlichen Lage der Signale 700, 729, 728, 727 zueinander und der Impulshöhe bzw. der Signalamplitude kann auf die Stoßrichtung und die Stoßintensität geschlossen werden.
In Figur 15 ist eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorsaufbaus 1 dargestellt. Auf der Membran 25 ist die Heizeinrichtung 30 und die erste weitere Heizeinrichtung 29 vorgesehen, die jeweils mittels Leitungen und Bondpads elektrisch verbindbar sind, was für das Beispiel der Heizeinrichtung 30 und der dazugehörenden Verbindungsleitung 35 bzw. des zugehörenden Bondpads 36 explizit in Figur 15 dargestellt ist. Die Heizeinrichtung 30 und die erste weitere Heizeinrichtung 29 stellen zwei theπnisch sehr eng gekoppelte Heizwiderstände dar, die sich quasi immer auf derselben Temperatur befinden. Werden diese im gegenüberliegenden Zweigen einer Wlieatstoneschen Brücke angeordnet, so lässt sich ein erhöhtes Messsignal erzeugen, welches mit einem Verstärker verstärkt werden kann. In Figur 17 ist eine Auswerteelektronik zur fünften Ausfülin gsfoπn der erfindungsgemäßen Sensoranordnung dargestellt. Der Widerstandswert der Heizeinrichtung 30 ist mit dem Bezugszeichen 310 versehen und der Widerstandswert der ersten weiteren Heizeinrichtung 29 ist mit dem Bezugszeichen 290 versehen. Zusammen mit einem siebten Widerstand 294 und einem dritten regelbaren Widerstand 295 bilden die beiden Widerstandswerte 310, 290 der Heizrichtungen 30, 29 eine Wheatstonesche Brücke, wobei der zwischen dem dritten regelbaren Widerstand 295 und dem Widerstandswert 310 liegende Abgriff dem invertierenden Eingang eines dritten Operationsverstärkers 602 zugeführt wird und wobei der zwischen dem Widerstandswert 290 der ersten weiteren Heizeinrichtung 29 und dem siebten Widerstand 294 gelegene Abgriff der Wheatstoneschen Brücke an den nicht invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers 602 geführt wird. Der dritte Operationsverstärker 602 dient in Figur 17 entsprechend dem Verstärker 60 aus den in den Figuren 9 und 7 dargestellten Auswerteelektroniken zu den ersten und zweiten Ausführungsfonnen der Erfindung. Anstelle des in den Figuren 7 und 9 bei den Auswerteelektroniken zur ersten und zweiten Ausführungsfoπn der Erfindung dargestellten Filters 70 ist in Figur 17 mit dem Bezugszeichen 71 ein Tiefpassfilter dargestellt, welcher dazu dient, das Nutzsignal 700 Band-zu-begrenzen, was einer Verringerung des Rauschanteils und eine Erhöhung des Signalrauschverhältnisses dient. Alternativ zu der Verwendung eines Tiefpasses 71 kann als Filter 70 in Figur 17 auch ein . Bandpassfilter 72 für die Filterung 70 eingesetzt werden, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, Offsetspannungen und langsame Driften des Signals, z. B. aufgrund von Temperaturänderangen,- zu elύninieren. Durch die Verwendung der Widerstandswerte 310, 290 der Heizeinrichtungen 30, 29 in gegenüberliegenden Zweigen einer Wheatstoneschen Brücke lässt sich ein erhöhtes Messsignal erzeugen, welches mittels eines Verstärkers 60 verstärkt wird. Mit dem dritten veränderlichen Widerstand 295 kann die Wheatstonesche Brücke abgeglichen werden.
Bei der Verwendung einer Sensoranordnung mit mehreren Heizeinrichtungen 30, 29, 28, 27 auf der Membran 25 ist es erfmdungsgemäß möglich, einer dieser Heizeinrichtungen 27 bis 30 für die Erzeugung eines gezielten Temperatursprangs zu verwenden, in dem dieser Widerstand impulsartig bestromt wird. So lässt sich ein Temperaturpuls erzeugen, der mit den anderen als Temperatunnessmittel vorgesehenen Heizeinrichtungen, welche sich auf der Membran 25 befinden, gemessen werden kann. So ist die Durchfülirung eines Selbsttests des Sensors 1 möglich. Die Unterscheidung des Selbsttestpulses von einer Beschleunigung ist anliand der Richtung der Widerstandsänderung möglich. Bei einer Beschleunigung kühlt der Widerstand kurzfristig ab, während bei einem Selbsttest eine kurzzeitige Erwärmung auftritt.
Für alle Ausführungsfonnen der Erfindung gilt, dass die Empfindlichkeit des Sensors 1 durch die Verwendung als Fluid von anderen Füllgasen als Luft oder durc die Verwendung unterschiedlicher Fülldrücke des den Sensor umgebenden Gases, beeinflusst werden kann. Von Bedeutung ist dabei sowohl die Dichte des verwendeten Gases als auch dessen Wärmekapazität. Der Sensor kann so für verschiedene Messbereiche eingestellt werden.

Claims

Ansprüche
1. Sensor (1) mit einer Heizeinrichtung (30) wobei der Sensor (1) zur Messung der Bewegung eines Fluids relativ zu der Heizeinrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatunnessmittel (30, 31) derart vorgesehen sind- in Abhängigkeit der Bewegung des Fluids die Temperatur des Fluids an einem Messort zu messen, wobei als Messort der Ort der Heizeinrichtung (30) oder ihre unmittelbare Nähe vorgesehen ist.
2. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatunnessmittel der elektrische Widerstand der Heizeinrichtung (30) und eine Beschattung der Heizeinrichtung vorgesehen ist.
3. Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschallung der Heizeinrichtung (30) derart vorgesehen ist, dass die Heizeinrichtung (30) zum Betrieb mit einem konstanten Strom (300) oder einer konstanten Spannung oder einer konstanten Leistung vorgesehen ist.
4. Sensor (1) nach Anspnich 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Umgebungstemperaturfühler (50) umfasst, wobei die Beschattung der Heizeinrichtung (30) derart vorgesehen ist, dass . die Heizeinrichtung (30) zum Betrieb mit einem hinsichtlich der Messung der Bewegung des Fluids konstanten Strom (300) oder einer hinsichtlich der Messung der Bewegung des Fluids konstanten Spannung oder einer hinsichtlich der Messung der Bewegung des Fluids konstanten Leistung vorgesehen ist, wobei jedoch der Strom oder die Spannung oder die Leistung in Abhängigkeit eines Signals des Umgebungstemperaturfühlers (50) vorgesehen ist.
5. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatunnessmittel ein Theπnoelement (31) vorgesehen ist, wobei das Thermoelement am Ort der Heizeinrichtung (30) oder in ihrer unmittelbaren Nähe vorgesehen ist.
6. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekeimzeichnet, dass eine Mehrzahl von Heizeinrichtungen (27 bis 30) und eine Mehrzahl von Temperatuπnessmittelii (27 bis 31) vorgesehen ist, wobei als die Mehrzahl der Temperatunnessmittel der elektrische Widerstand jeweils einer der Mehrzahl von Heizeinrichtungen (27 bis 30) und jeweils eine Beschattung vorgesehen ist.
7. Verfahren zur Messung der Bewegung eines Fluids relativ zu einer Heizeinrichtung (30), wobei in dem Fluid ein Temperaturgradient erzeugt wird, wobei ein Temperatunnessmittel (30, 31) zur Messung der Temperatur des Fluids in Abhängigkeit der Bewegung des Fluids an einem Messort verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatunnessmittel (30, 31) der elektrische Widerstand der Heizeinrichtung
(30) verwendet wird oder das als Temperatunnessmittel (30, 31) ein Thermoelement in
(31) verwendet wird, wobei als Messort der Ort der Heizeinrichtung (30) oder ihre unmittelbare Nähe vorgesehen ist.
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