WO1992009898A1 - Piezoresistive sensoranordnung, z.b. für ein insassenschutzsystem eines fahrzeuges - Google Patents

Piezoresistive sensoranordnung, z.b. für ein insassenschutzsystem eines fahrzeuges Download PDF

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WO1992009898A1
WO1992009898A1 PCT/DE1991/000211 DE9100211W WO9209898A1 WO 1992009898 A1 WO1992009898 A1 WO 1992009898A1 DE 9100211 W DE9100211 W DE 9100211W WO 9209898 A1 WO9209898 A1 WO 9209898A1
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resistors
series
temperature
sensor
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Marten Swart
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P1/00—Details of instruments
    • G01P1/006—Details of instruments used for thermal compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R17/00—Measuring arrangements involving comparison with a reference value, e.g. bridge
    • G01R17/10—AC or DC measuring bridges
    • G01R17/16—AC or DC measuring bridges with discharge tubes or semiconductor devices in one or more arms of the bridge, e.g. voltmeter using a difference amplifier

Definitions

  • Piezoresistive sensor arrangement e.g. for a vehicle occupant protection system
  • the invention was developed per se for the temperature stabilization of the acceleration sensitivity or expansion sensitivity of a piezoresistive crash sensor arrangement for an airbag system of a motor vehicle.
  • a sensor arrangement must not only be an extremely reliable, sufficiently precise measuring instrument for many applications.
  • Sensor arrangements for vehicle occupant protection systems are already being manufactured and will be produced in large numbers in the future. They thus represent a mass product to be mass-produced, which should nevertheless function very reliably, and it is also important to reduce the effort for the production of such a mass product as much as possible.
  • acceleration sensitivity is not only to be understood here as the amplitude of the output signal of the sensor arrangement, depending on a specific - positive or negative - acceleration. This also means the sensitivity to expansion, sensitivity to compression or sensitivity to twisting of the sensor arrangement, in particular the resistance circuit of this sensor arrangement.
  • the mechanical structure of the sensor arrangement determines which of these sensitivities dependent and on the basis of the structure for the person skilled in the art.
  • acceleration sensitivity is referred to below, even if the sensitivity to stretching, compression and torsion is meant - at least implicitly - in each case. It will not be difficult for the person skilled in the art to interpret the present description in this sense from case to case - mutatis mutandis.
  • the invention is based on the special sensor arrangement mentioned in the preamble of claim 1, of which different variants e.g. through the two publications (4 pages each) from the US company IC-Sensors
  • the four resistors of the resistance circuit are integrated on a chip as highly integrated semiconductor resistors. They each form strain gauges in the chips, which are connected as a Wheatstone bridge, with two of the strain gauges opposite in the bridge being stretched when the sensor arrangement is accelerated and the other two being compressed.
  • the task of achieving a very extensive temperature independence of the acceleration sensitivity of the sensor arrangement with particularly little effort is achieved according to the invention by the measures mentioned in claim 1.
  • the invention surprisingly requires essentially only a simple resistor, which is largely or completely insensitive to temperature, at least in comparison to piezoresistive resistors.
  • the invention additionally allows the temperature compensation according to the invention not to have to change the operating point of the entire sensor arrangement in every case at the same time.
  • the working point is then not significantly influenced by the measure according to the invention.
  • the object of the invention is the temperature compensation of the acceleration sensitivity of the sensor arrangement, but not the temperature compensation of the resistance circuit of the invention.
  • the solution of the invention is based on the fact that the temperature dependency of the resistance circuit, which has zero during acceleration, in any case, in the case of a sensor arrangement which has not yet been temperature-stabilized according to the invention, normally has the opposite sign compared to the temperature dependence of the acceleration sensitivity of the latter, which is not yet temperature-stable ⁇ lized sensor arrangement, whereby in the not yet temperature-stabilized sensor arrangement the absolute load is normally
  • the temperature sensitivity of the resistance circuit is greater than the absolute value of the temperature sensitivity of the acceleration sensitivity.
  • the solution of the invention is based on the idea of not eliminating the temperature dependency of the resistance circuit, but rather of changing it in a particularly clever manner only in such a way that it becomes the same size as the temperature dependency of the acceleration sensitivity, so that it increases Finally compensate each other for both temperature dependencies of the sensor arrangement.
  • the additional measures according to claim 2 allow the acceleration sensitivity of the sensor arrangement, that is to say the amplitude of the sensor output signal, e.g. to a certain acceleration, to make it particularly large in a simple way,
  • FIG. 2 shows a diagram for the maximum resistance values and minimum resistance values for the temperature-independent resistance to be inserted according to the invention, depending on the temperature coefficient of the sensor arrangement not yet temperature-stabilized according to the invention, if one uses a sensor arrangement shown in FIG. 1 with a sensor which determines four contains equally large, piezo-resistive ohmic resistors, and
  • FIG. 3 shows a diagram for the maximum resistance values and minimum resistance values for the insertable temperature-insensitive ohmic series resistor, likewise depending on the temperature coefficient of the temperature-stabilized sensor arrangement not yet according to the invention, if a sensor arrangement shown in FIG. 1 with a sensor is used again , which contains four specific, piezoresistive ohmic resistors of equal size.
  • FIG. 1 shows that sensor arrangement which the inventor developed specifically for an airbag system of a motor vehicle, but which in principle is also suitable for other purposes.
  • This example contains the resistor circuit with the four ohmic resistors RS1, RS2, RS3, RS4. Two resistors each of the four resistors, cf. RS1 / RS2 and RS3 / RS4, form a series connection, each with a tap AI, A2 between them.
  • Both series connections RS1 / RS2, RS3 / RS4 each have two external connections, cf. Eil and E12, as well as E21 and E22.
  • Eil and E12 are conductively connected to one another - but the invention is not limited to this: in principle, the second external connections E12, E22 can also be used in the invention - As in the known sensor arrangements from IC-Sensors - be directly connected to one another in a conductive manner.
  • the four resistors RS1, RS2, RS3, RS4 thus, viewed on their own, possibly, but not in every case, form a Wheatstone bridge in the invention.
  • a series resistor Re which is only discussed in more detail below, is additionally inserted between the second external connection E12.
  • the consumer not shown in FIG. 1, can be located between the output terminal, cf. Us, the sensor arrangement and the ground potential are connected.
  • the senor has, according to the invention, at least one single piezoresistive resistor for generating the output signal Us of the sensor arrangement, the change in resistance of which is a measure of the value of the acceleration to be measured (that is to say also elongation, compression or twisting).
  • the resistor formed by the sensor, or the resistors formed by the sensor are in each case components of the resistance circuit according to the invention.
  • the sensor itself contains or represents fewer than four resistors
  • one or more resistors are added to the sensor arrangement according to the invention until the sensor arrangement contains the intended at least four resistors RS1, RS2, RS3, RS4 , - of which, according to the invention, at least one is piezoresistive, namely at least one or more of the resistors formed by the sensor itself.
  • the sensor therefore contains fewer than the four resistors, it is supplemented, for example, by discrete simple ohmic resistors - or supplemented, for example, by piezoresistive resistors, that is, for example, by discrete strain gauges.
  • all four resistors RS1, RS2, RS3, RS4 are piezoresistive resistors which increase, for example, by four discrete or, for example, by four highly integrated, to increase the acceleration sensitivity of the resistance circuit, i.e. to increase the output signal of this resistance circuit based on a specific acceleration value
  • Semiconductor resistors can be formed.
  • the mechanical structure of the sensor, or of the sensor arrangement which has four piezoresistive resistors here, is - regardless of whether the " second external connections E12 and E22 are also connected to one another - selected such that two" opposite each other during accelerations "(Non-adjacent) resistors, for example RS1 and RS4, of the four piezoresistive resistors RS1 / RS2 / RS3 / RS4 are compressed or stretched simultaneously and the two other resistors, cf. RS2 and RS3, are stressed in opposite directions This means that the acceleration sensitivity of the sensor arrangement is particularly high.
  • Such piezoresistive resistors are often subject to high tolerances, especially if they are mounted on a chip in a highly integrated manner. If one compares a sensor arrangement, the resistor circuit of which is mounted on a chip, with another sensor arrangement, also constructed in this way, then the resistance values of these resistors RS1, RS2, RS3, RS4 can vary greatly from sensor arrangement to sensor arrangement due to the manufacturing process be, even if these four resistors within the same sensor arrangement - due to the design of the pattern which was chosen for the four resistors on the chip - are each almost the same size among themselves.
  • the output signal of the sensor arrangement is represented directly by the voltage Ua between the taps A1 / A2 of the resistance circuit RS1 / RS2, RS3 / RS4; At least the output signal of the sensor arrangement according to the invention correlates with this voltage Ua, cf. the output voltages Us and Ua in FIG. 1.
  • the interconnected first external connections E11 / E21 of the series connections RS1 / RS2, RS3 / RS4 are connected to the output of the input differential amplifier VI.
  • the first input "+" of this input differential amplifier is connected to a reference voltage Uref, and the second input “-” of this amplifier VI via a feedback line K - in the example shown directly - to the second external connection E12 of the series circuit RS1 / RS2.
  • the reference voltage thus defines the voltage of the power supply of the first series circuit in a highly stable manner in order to make the output voltage of the sensor arrangement Ua or Us easily independent of fluctuations in the power supply of the sensor arrangement.
  • the first series circuit RS1 / RS2 is bridged with a temperature-insensitive ohmic resistor Rtk, which - at least to a large extent if at least in comparison to the strong temperature sensitivity of the piezoresistive resistors of the resistor circuit RS1 / RS2, RS3 / RS4 is not completely insensitive to temperature.
  • the simple ohmic resistor Rtk which is insensitive to temperature in comparison to the temperature sensitivity of piezoresistive resistors, is inserted.
  • This simple measure allows the temperature sensitivity of the acceleration sensitivity of the sensor arrangement to be compensated for:
  • This compensation effect of the resistor Rtk inserted according to the invention is based - as already mentioned - ultimately on the fact that, in the case of the sensor arrangement which has not yet been temperature-compensated according to the invention, the output signal Ua or Us of the resistor circuit RS1 / RS2 / RS3 / RS4, as long as none Accelerations occur, are influenced by temperature changes in the opposite way (mathematically formulated: the sign of the change in the output signal) in comparison to how the same temperature change affects the acceleration sensitivity affects this sensor arrangement as soon as acceleration occurs.
  • the acceleration sensitivity corresponds to that amplitude of the output signal Ua or. Us, which occurs at a certain value of the acceleration.
  • the compensating effect of the resistor Rtk inserted according to the invention is based on the fact that normally the amount of the temperature sensitivity of the resistance circuit when accelerating is ZERO, that is to say the change in the voltage Ua between the terminals A1 / A2 caused solely by a temperature change the change in acceleration sensitivity caused by this temperature change in the opposite direction predominates.
  • the temperature-insensitive resistor Rtk is connected in parallel to the first series circuit RS1 / RS2 or in parallel to the resistance circuit RS1 / RS2 / RS3 / RS4.
  • This parallel connection makes it possible to reduce the temperature sensitivity of the resistor circuit RS1 / RS2 / RS3 / RS4 as much as desired, depending on the resistance value of the resistor Rtk.
  • a sensible choice of the resistance value for the parallel-connected temperature-independent resistor Rtk ensures that the temperature sensitivity of the resistor circuit RS1 / RS2 / RS3 / RS4 sufficiently compensates the opposite temperature sensitivity of the acceleration sensitivity, at least with regard to the linear temperature and components of the output voltage changes at the terminals Ua and Us which are dependent on the acceleration.
  • the invention allows the sensor arrangement to be used as a precise measuring arrangement for accelerations, regardless of the respective climate, for example, also to be used as a crash sensor for the control of airbags, roll bars and similar vehicle occupant protection systems which depend on the precise course of acceleration, in which the occupants are to be reliably protected in any weather in the event of a crash.
  • the invention for example, with extremely little effort, e.g. Achievable to use the sensor arrangement as a reliable acceleration or deceleration or crash sensor both in the harshest of winter and in high heat, although it does contain one, if not more, piezoresistive resistors with more or less tolerant temperature behavior.
  • the optimum resistance value of the resistance Rtk inserted according to the invention can easily be determined per experiment with each individual sensor arrangement.
  • the following shows how the optimum dimensioning of the resistance value of the resistance Rtk can also be calculated purely by calculation in an example which corresponds to FIG. 1; Here, in order not to make the calculation example too complicated, some simplifying but very practical assumptions are made:
  • Each of the four resistors RS1, RS2, RS3, RS4 is formed by a strain gauge.
  • they were produced in series with one another, if possible, at the same time — for example, highly integrated together on a single chip — and therefore, when viewed one below the other, have almost exactly the same resistance value.
  • the sensor arrangement produced in accordance with FIG. 1 thus largely corresponds to the sensor arrangements described in the company publication of IC sensors if they each contain four extensively identical strain gauges for the resistors RS1, RS2, RS3 and RS4.
  • Measurement results on a corresponding commercially available, not yet compensated example of the sensor arrangement from IC-Sensors show that the following values of the sensor arrangement, which has not yet been temperature-stabilized according to the invention, are practical, that is realistic (g in each case means the positive or .measured with the sensor arrangement negative acceleration):
  • the value s has a high tolerance due to the imponderables of the manufacturing phases.
  • the temperature coefficient TCR of the resistance values Rb of the four resistors RS1, RS2, RS3, RS4 is e.g. :
  • TCR 0.25% / 'K + 0.02% /' K; K here means Kelvin. This temperature coefficient TCR is positive and has a high tolerance.
  • the temperature coefficient TCS of the acceleration sensitivity s of the resistance circuit of the uncompensated sensor arrangement which is particularly important in the context of the invention, based on the output voltage between taps A1 / A2, is e.g. :
  • TCS - 0.15% / ° K ⁇ 0.05% / ° K; K means Kelvin again.
  • This temperature coefficient TCS is determined by the temperature dependence of the acceleration Sensitivity (or sensitivity to strain, compression or twist) of the individual piezoresistive resistors RS1, RS2, RS3 and RS4 is determined.
  • TCS is negative - instead of positive like TCR i - and is also very tolerant in itself.
  • is, for example, about half as large as the absolute amount [TCR
  • the resistance circuits of different examples of the sensor arrangements have strong sample variations not only because of their differently large Rb values, but especially because of their TCS values. Nevertheless, according to the invention, they can all be temperature-compensated in an uncomplicated manner by means of a resistor Rtk.
  • a temperature-independent resistor Rtk is connected in parallel with the first series connection RS1 / RS2, which makes the positive temperature coefficient of this parallel connection still positive, but so small that this temperature coefficient has the same amount but the opposite sign as that - by default negative - temperature sensitivity TCS of the acceleration sensitivity of this sensor arrangement, so that the negative temperature coefficient TCS is compensated as a result:
  • the resistance value of the resistance Rtk can then be:
  • Rtk (2 x Rb x [TCS
  • the optimum resistance value Rtk therefore depends on the respective resistance value Rb of the resistors of the relevant resistance circuit and on the absolute amounts
  • Rtk can therefore have different optimal resistance values depending on the special value of the tolerant resistors Rb and the tolerant coefficients TCR and TCS.
  • FIG. 2 shows the curves for the maximum values and the minimum values of this optimal resistance value for the resistance Rtk, depending on the respective temperature coefficient TCS of the acceleration sensitivity s of the resistance circuit. Incidentally, these are resistance values that are easy to implement. The diagram shown in FIG. 2 can even be used to roughly estimate the required resistance values Rtk for the respective sensor arrangement example.
  • FIG. 1 additionally allows the temperature adjustment according to the invention to be achieved without changing the working point of the entire sensor arrangement, or to keep such changes in the working point very small:
  • the operating point of the output voltage Ua or Us can thus be adjusted by setting Uref.
  • the Adjustment by means of Uref is at least given as long as one does not choose special, extremely unsuitable circuits for the input differential amplifier VI and also not for the possibly still attached output amplifier V2. A subsequent selection of Uref no longer interferes with the previous temperature compensation of the acceleration sensitivity.
  • the example shown in FIG. 1 also contains, in series with the first series connection RS1 / RS2, the temperature-sensitive ohmic series resistor Re, especially in order to influence the acceleration sensitivity s of the sensor arrangement in a simple manner, even after the temperature compensation according to the invention, - to influence the amplitude of the sensor output signal, based on a certain value of the acceleration or based on the amplitude with which the resistance value Rb of the piezoresistive 'resistance / resistance of the sensor is changed during an acceleration g.
  • acceleration sensitivity s of the sensor arrangement can be achieved in the sensor arrangement compensated according to the invention by the fact that the second input "-" of the input differential amplifier VI via the feedback line K with a connection point between the second external connection E12 of the first series circuit RS1 / RS2 and the series resistor Re shown in FIG. 1 is connected.
  • the acceleration sensitivity s can be adapted to the respective requirement, e.g. are adjusted, increased or decreased, and even without thereby having to change the operating point and the temperature compensation of the acceleration sensitivity according to the invention.
  • the resistance value of this series resistor Re can be dimensioned differently, depending on the desired value of the acceleration sensitivity s of the sensor arrangement. uben.
  • the optimum resistance value of this series resistor Re can also be determined or at least estimated not only by experiment, but also by calculation:
  • the sensor arrangement which has four piezoresistive resistors that are largely identical to one another and the data given above by way of example and for which the optimum resistance value of the resistor Rtk was calculated is considered here again.
  • Re g again means the acceleration or deceleration measured with the sensor arrangement
  • the resistance value of the temperature-insensitive ohmic series resistor Re to be inserted into the invention is then:
  • FIG. 3 shows the curves for the maximum values and the minimum values for the resistance value of the series resistor Re, depending on the respective temperature coefficient TCS of the acceleration sensitivity s.
  • the diagram shown in FIG. 3 can also be used to roughly estimate the required resistance values for the series resistor Re for the respective sensor arrangement copy.
  • the acceleration sensitivity sk (or s) can - additionally or alternatively - also be adjusted (or increased and decreased) by another simple measure: namely, the voltage Ua between the taps A1 / A2 of the resistance circuit can also be an output amplifier V2, which can also be formed by a differential amplifier, cf. the figure 1.
  • the sensor arrangement can have a symmetrical output per se.
  • the voltage Ua between the taps A1 / A2 can be used as the output voltage of the sensor arrangement.
  • the output amplifier V2 can also have a symmetrical output and thus deliver a symmetrical output signal.
  • the second external connections E12, E22 can be connected to one another in a conductive manner, but need not.
  • the sensor arrangement shown in FIG. 1, however, has an asymmetrical output Us, because here the output voltage is, for example, output via the terminals Us and ground to a consumer (not shown).
  • the more or less symmetrical output voltage Ua between the taps A1 / A2 of the resistance circuit is namely in the example shown by means of the output amplifier V2 to an asymmetrical output Us / mass implemented.
  • the output signal Ua is not only passed through a second differential amplifier V2.
  • the second external connection E22 of the second series connection RS3 / RS4 is directly connected to the output connection of the second differential amplifier V2, instead of a Wheatstone 1 type, a bridge with the second external connection E12 of the first series connection RS1 / RS2 is seen.
  • the output signal Us can then be amplified by the output amplifier V2, for example by 6 dB compared to Ua.
  • This type of forming an asymmetrical output therefore has the advantage that, despite the influence of the acceleration sensitivity sk or s by means of the output amplifier V2, the operating point remains adjustable by the reference voltage Uref and that the temperature compensation of the acceleration temp ⁇ sensitivity, or at least not significantly, is changed.

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Abstract

Piezoresistive Sensoranordnung, z.B. für ein Insassenschutzsystem eines Fahrzeuges, mit einer Widerstandsschaltung (RS1/RS2, RS3/RS4) aus mindestens vier Widerständen, von welchen jeweils zwei eine Reihenschaltung (RS1/RS2, RS3/RS4) mit jeweils einem Abgriff (A1, A2) zwischen ihnen bilden. Der erste der beiden Außenanschlüsse der Reihenschaltungen ist miteinander verbunden (E11 mit E21). Der Sensor weist mindestens einen einzigen piezoresistiven Widerstand zur Erzeugung des Ausgangssignales (Us) der Sensoranordnung auf, wobei entweder er in elektrischer Hinsicht die Widerstandsschaltung darstellt und dann mindestens einer dieser vier Widerstände ein piezoresistiver Widerstand ist, oder wobei er durch einen oder mehrere Widerstände zu der Widerstandsschaltung ergänzt ist. Die miteinander verbundenen ersten (E11, E21) Außenanschlüsse der Reihenschaltungen sind mit dem Ausgang eines Eingangs-Differenzverstärkers (V1) verbunden, dessen erster Eingang (+) mit einer Referenzspannung (Uref) verbunden ist. Der zweite Außenanschluß (E12) der ersten (RS1/RS2) der beiden Reihenschaltungen ist mit dem zweiten Eingang (-) des Eingangs-Differenzverstärkers (V1) verbunden. Die erste Reihenschaltung (RS1/RS2) ist mit einem temperaturunempfindlichen Widerstand (Rtk) überbrückt.

Description

Piezoresistive Sensoranordnung, z.B. für ein Insassenschutz- System eines Fahrzeuges
Die Erfindung wurde an sich für die Temperaturstabilisierung der Beschleunigungsempfindlichkeit bzw. Dehnungsempfindlichkeit einer piezoresistiven Crashsensoranordnung für ein Airbagsystem eines Kfz entwickelt. Eine solche Sensoranordnung muß für viele Anwendungen nicht nur ein- extrem zuverlässiges, ausreichend ge¬ naues Meßinstrument sein. Sensoranordnungen für Insassenschutz¬ systeme von Fahrzeugen werden bereits und werden in Zukunft noch immer mehr in hohen Stückzahlen hergestellt. Sie stellen damit ein in Serienfertigung herzustellendes Massenprodukt dar, welches trotzdem sehr zuverlässig funktionieren soll, wobei es auch auf möglichst starke Verringerung des Aufwandes für die Herstellung eines solchen Massenproduktes ankommt.
Es stellte sich aber heraus, daß die Erfindung über jene Insas¬ senschutzsysteme von Fahrzeugen hinaus Bedeutung hat, für wel¬ che sie zunächst entwickelt wurde. Sie hat nämlich Bedeutung für die Temperaturstabilisierung der Beschleunigungsempfiπd- lichkeit all jener Sensoranordnungen, welche durch den Oberbe- griff des Patentanspruches 1 definiert sind und im Prinzip für vielfältige Zwecke verwendet werden können, z.B. auch für die Überwachung und Steuerung von Werkzeugmaschinen und anderen Ge¬ räten mittels Sensoranordnungen, die dem Oberbegriff des Haupt¬ anspruches entsprechen. Hierbei ist unter "Beschleunigungsemp- findlichkeit" hier nicht nur die Amplitude des Ausgangssignals der Sensoranordnung, abhängig von einer bestimmten - positiven oder negativen - Beschleunigung zu verstehen. Gemeint ist damit auch zusätzlich die Dehnungsempfindlichkeit, Stauchungsempfind¬ lichkeit oder auch Verdrehungsempfindlichkeit der Sensoranord- nung, - insbesondere der Widerstandsschaltung dieser Sensoran¬ ordnung. Um welche dieser Empfindlichkeiten es sich jeweils handelt, ist von dem mechanischen Aufbau der Sensoranordnung abhängig und anhand des Aufbaus für den Fachmann jeweils durch¬ schaubar. Um aber die Schwierigkeiten bei der sprachlichen Dar¬ legung der Erfindung zu reduzieren, wird im folgenden nur von der "Beschleunigungsempfindlichkeit" gesprochen, auch wenn je- weils die Dehnungs-, Stauchungs- und Verdrehungsempfindlichkeit - zumindest stillschweigend - mitgemeint ist. Dem Fachmann wird es nicht schwer fallen, von Fall zu Fall - mutatis mutandis - die vorliegende Beschreibung in diesem Sinne umzudeuten.
Die Erfindung geht von der speziellen, im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Sensoranordnung aus, von der unterschiedliche Varianten z.B. durch die beiden Druckschriften (jeweils 4 Seiten) der US-Firma IC-Sensors
"Temperature Compensation Techniques for Piezoresistive Accelerometers" , Technical Note TN-009 vom April 1988, besonders Figur 6, sowie
"Temperaturkompensation von Silizium-Drucksensoren", Application Note TN-002, besonders Bilder lc, 4, 5 und 8 bekannt sind. Bei diesen bekannten Varianten sind die vier Wi- derstände der Widerstandsschaltung als hochintegrierte Halblei¬ terwiderstände auf einem Chip integriert. Sie bilden in den Chips jeweils Dehnungsmeßstreifen, die als Wheatstone 'sehe Brücke geschaltet sind, wobei zwei der in der Brücke gegenüber¬ liegenden Dehnungsmeßstreifen bei Beschleunigung der Sensoran- Ordnung gedehnt und die zwei anderen gestaucht werden.
Die Beschleunigungsempfindlichkeit dieser bekannten Sensoran¬ ordnung kann mit den dort jeweils beschriebenen Maßnahmen, die allerdings relativ aufwendig sind, bereits recht gut tempera- turstabilisiert werden. Dadurch eignen sich die bekannten Vari¬ anten dieser Sensoranordnung bereits im Prinzip z.B. als Crash- sensoren sowohl im strengsten Winter als auch bei großer Hitze für die Steuerung von Airbags, Überrollbügeln und ähnliche In¬ sassenschutzsystemen von Fahrzeugen, in welchem die Insassen bei einem Crash in jedem Klima zuverlässig geschützt sein sollen. Ein Hauptproblem solcher Sensoranordnungen, die auf piezoresi- stiver Basis beruhen - also relativ niederohmige und dabei stark temperaturabhängige piezoresistive Widerstände aufweisen, ist aber weiterhin der noch zu hohe Aufwand für die zuverläs- sige Temperaturstabilisierung ihrer Beschleunigungsempfindlich¬ keit, um sie unabhängig vom jeweiligen Klima zu machen.
Die Aufgabe, eine sehr weitgehende Temperaturunabhängigkeit der Beschleunigungsempfindlichkeit der Sensoranordnung mit besonders wenig Aufwand zu erreichen, wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen gelöst. Die Erfindung benötigt also, um die Beschleu¬ nigungsempfindlichkeit der Sensoranordnung weitgehend te pera- turstabil zu machen, überraschenderweise im wesentlichen nur einen einfachen Widerstand, welcher nämlich, jedenfalls im Ver¬ gleich zu piezoresistiven Widerständen, weitgehend bzw. völlig temperaturunempfindlich ist.
Unten wird gezeigt werden, daß die Erfindung zusätzlich gestat¬ tet, für die erfindungsgemäße Temperaturkompensation nicht zugleich in jedem Falle den Arbeitspunkt der gesamten Sensoran¬ ordnung verändern zu müssen. Der Arbeitspunkt wird also dann durch die betreffende erfindungsgemäße Maßnahme nicht wesent- lieh beeinflußt.
Zu beachten ist, daß die Aufgabe der Erfindung die Temperatur¬ kompensation der Beschleunigungsempfindlichkeit der Sensoran¬ ordnung ist, aber nicht die Temperaturkompensation der Wider- Standsschaltung der Erfindung. Die Lösung der Erfindung beruht nämlich darauf, daß die Temperaturabhängigkeit der Widerstands¬ schaltung, welche diese bei der Beschleunigung NULL aufweist, bei einer noch nicht erfindungsgemäß temperaturstabilisierten Sensoranordnung jedenfalls im Normalfall das entgegengesetzte Vorzeichen hat im Vergleich zur Temperaturabhängigkeit der Be¬ schleunigungsempfindlichkeit dieser noch nicht temperaturstabi¬ lisierten Sensoranordnung, wobei in der noch nicht temperatur¬ stabilisierten Sensoranordnung im Normalfall der absolute Be- trag der Temperaturempfindlichkeit der Widerstandsschaltung größer ist als der absolute Betrag der Temperaturempfindlich¬ keit der Beschleunigungsempfindlichkeit. - Die Lösung der Er¬ findung beruht nämlich auf dem Gedanken, die Temperaturabhän- gigkeit der Widerstandsschaltung nicht zu beseitigen, sondern sie auf besonders geschickte Weise nur so zu verändern, daß sie entgegengesetzt gleich groß wird wie die Temperaturabhängigkeit der Beschleunigungsempfindlichkeit, so daß sich diese beiden Temperaturabhängigkeiten der Sensoranordnung schließlich gegen- seitig kompensieren.
Die in den Unteransprüchen definierten Gegenstände gestatten, zusätzliche Vorteile zu erreichen. Unter anderem gestatten näm¬ lich die zusätzlichen Maßnahmen gemäß dem Patentanspruch 2, die Beschleunigungsempfindlichkeit der Sensoranordnung, also die Amplitude des Sensorausgangssignales bezogen z.B. auf eine bestimmte Beschleunigung, auf einfache Weise besonders groß zu machen,
3, die Beschleunigungsempfindlichkeit der Widerstandsschaltung und damit der Sensoranordnung auf einfache Weise dem je¬ weiligen Bedarf entsprechend durch unkomplizierte Dimen¬ sionierung eines bestimmten Widerstandes anzupassen, also z.B. zu justieren, zu erhöhen und zu verringern, und zwar ohne dadurch in jedem Falle den Arbeitspunkt, die Tempera- turkompensation der Beschleunigungsempfindlichkeit wesent¬ lich verändern zu müssen,
4, auf eine noch andere, einfache Weise die Beschleunigungs¬ empfindlichkeit der Sensoranordnung dem jeweiligen Bedarf entsprechend durch eine unkomplizierte Maßnahme anzupassen, also z.B. zu justieren, zu erhöhen und zu verringern, und zwar, auch in diesem Fall, ohne dadurch in jedem Falle den Arbeitspunkt und die Temperaturkompensation der Be¬ schleunigungsempfindlichkeit der Sensoranordnung wesentlich verändern zu müssen, sowie 5, bei hoher Beschleunigungsempfindlichkeit der Sensoranord¬ nung mit wenig Aufwand ein asymmetrisches Ausgangssignal der Sensoranordnung zu erhalten. Die Erfindung und Weiterbildungen derselben werden anhand der drei Figuren weiter erläutert, welche der Übersichtlichkeit wegen jeweils möglichst einfach dargestellt wurden. Dabei zeigt die Figur 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, wel¬ che einen Eingangs-Differenzverstärker und einen Ausgangs¬ verstärker mit asymmetrischen Signalausgang enthält,
2 ein Diagramm für die Maximal-Widerstandswerte und Minimal- Widerstandswerte für den erfindungsgemäß einzufügenden temperaturunabhängigen Widerstand abhängig vom Temperatur¬ koeffizienten der noch nicht erfindungsgemäß temperatur¬ stabilisierten Sensoranordnung, wenn man eine in der Figur 1 gezeigte Sensoranordnung mit einem Sensor verwendet, welcher vier bestimmte, untereinander gleich große, piezo- resistive ohmsche Widerstände enthält, sowie
3 ein Diagramm für die Maximal-Widerstandswerte und Minimal- Widerstandswerte für den einfügbaren temperaturunempfind¬ lichen ohmschen Vorwiderstand, ebenfalls abhängig vom Tem¬ peraturkoeffizienten der noch nicht erfindungsgemäß tempe- raturstabilisierten Sensoranordnung, wenn man wieder eine in der Figur 1 gezeigte Sensoranordnung mit einem Sensor verwendet, welcher vier bestimmte, untereinander gleich große, piezoresistive ohmsche Widerstände enthält.
Die Figur 1 zeigt als Beispiel einer erfindungsgemäßen piezore¬ sistive Sensoranordnung jene Sensoranordnung, welche vom Erfin¬ der speziell für ein Airbagsystem eines Kfz entwickelt wurde, aber im Prinzip auch für andere Zwecke geeignet ist.
Dieses Beispiel enthält die Widerstandsschaltung mit den vier ohmschen Widerständen RS1, RS2, RS3, RS4. Jeweils zwei Wider¬ stände der vier Widerstände, vgl. RS1/RS2 und RS3/RS4, bilden eine Reihenschaltung mit jeweils einem Abgriff AI, A2 zwischen ihnen.
Beide Reihenschaltungen RS1/RS2, RS3/RS4 besitzen jeweils zwei Außenanschlüsse, vgl. Eil und E12, sowie E21 und E22. Im ge¬ zeigten Beispiel sind nur die ersten Außenanschlüsse Eil, E21, aber nicht auch die zweiten Außenanschlüsse E12, E22 der Rei¬ henschaltungen RS1/RS2, RS3/RS4 miteinander leitend verbunden - wobei aber die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist : Es kön¬ nen nämlich im Prinzip auch bei der Erfindung die zweiten Außenanschlüsse E12, E22 - wie bei den bekannten Sensoranord¬ nungen der Firma IC-Sensors - unmittelbar miteinander leitend verbunden sein. Die vier Widerstände RS1, RS2, RS3, RS4 bilden also, für sich alleine betrachtet, bei der Erfindung möglicher¬ weise, aber nicht in jedem Fall, eine Wheatstone 'sehe Brücke. Bei der gezeigten erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist übri¬ gens zusätzlich zwischen -dem zweiten Außenanschluß E12 noch ein erst weiter unten genauer besprochener Vorwiderstand Re einge fügt. Der in der Figur 1 nicht gezeigte Verbraucher kann zwi¬ schen der Ausgangsklemme, vgl. Us, der Sensoranordnung und dem Massepotential angeschlossen werden.
Der Sensor weist, elektrisch gesehen, zur Erzeugung des Aus¬ gangssignales Us der Sensoranordnung erfindungsgemäß mindestens einen einzigen piezoresistiven Widerstand auf, dessen Wider- Standsänderung ein Maß für den Wert der zu messenden Beschleu¬ nigung (also auch Dehnung, Stauchung oder Verdrehung) ist. Der durch den Sensor gebildete Widerstand, oder die durch den Sen¬ sor gebildeten Widerstände, sind erfindungsgemäß jeweils Be¬ standteile der Widerstandsschaltung. Falls der Sensor selbst von Haus aus weniger als vier Widerstände enthalten bzw. dar¬ stellen sollte, werden bei der erfindungsgemäßen Sensoranord¬ nung ein oder mehrere Widerstände ergänzt, bis die Sensoranord¬ nung die vorgesehenen mindestens vier Widerstände RS1, RS2, RS3, RS4 enthält, - von denen erfindungsgemäß also zumindest ein einziger piezoresistiv ist, nämlich zumindest einer oder mehrere der durch den Sensor selbst gebildeten Widerstände. Falls der Sensor also weniger als die vier Widerstände enthält, wird er z.B. durch diskrete einfache ohmsche Widerstände er¬ gänzt - oder z.B. durch piezoresistive Widerstände also z.B. durch diskrete Dehnungsmeßstreifen ergänzt. Im gezeigten Beispiel sind zur Erhöhung der Beschleunigungsemp¬ findlichkeit der Widerstandsschaltung, also zur Erhöhung des Ausgangssignales dieser Widerstandsschaltung bezogen auf einen bestimmten Beschleunigungswert, alle vier Widerstände RS1, RS2, RS3, RS4 piezoresistive Widerstände, welche durch z.B. durch vier diskrete oder z.B. durch vier hochintegrierte Halbleiter¬ widerstände gebildet werden können.
Der mechanische Aufbau des Sensors, bzw. der hier vier piezore- sistive Widerstände aufweisenden Sensoranordnung, ist - unab¬ hängig davon, ob auch die"zweiten Außenanschlüsse E12 und E22 miteinander verbunden werden - so gewählt, daß bei Beschleuni¬ gungen jeweils zwei "gegenüberliegende" (nicht-benachbarte) Wi¬ derstände, z.B. RS1 und RS4, der vier piezoresistiven Wider- stände RS1/RS2/RS3/RS4 gleichzeitig gestaucht bzw. gedehnt werden und die zwei anderen Widerstände, vgl. RS2 und RS3, ent¬ gegengesetzt belastet, also gedehnt bzw. gestaucht werden. Da¬ durch wird nämlich die Beschleunigungsempfindlichkeit der Sen¬ soranordnung besonders groß.
Solche piezoresistiven Widerstände sind oft stark toleranzbe¬ haftet, besonders wenn sie hochintegriert auf einem Chip ange¬ bracht sind. Vergleicht man eine Sensoranordnung, deren Wider¬ standsschaltung auf einem Chip angebracht ist, mit einer ande- ren, ebenfalls so aufgebauten Sensoranordnung, dann können die Widerstandswerte dieser Widerstände RS1, RS2, RS3, RS4 von Sen¬ soranordnung zu Sensoranordnung herstellungsbedingt stark un¬ terschiedlich sein, selbst falls diese vier Widerstände inner¬ halb derselben Sensoranordnung - bedingt durch das Design der Muster, welches für die vier Widerstände auf dem Chip gewählte wurde - unter sich jeweils nahezu gleich groß sind.
Das Ausgangssignal der Sensoranordnung wird bei der Erfindung unmittelbar durch die Spannung Ua zwischen den Abgriffen A1/A2 der Widerstandsschaltung RS1/RS2, RS3/RS4 darstellt; Zumindest korreliert das Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Sensoran¬ ordnung mit dieser Spannung Ua, vgl. die Ausgangsspannungen Us und Ua in der Figur 1. Die miteinander verbundenen ersten Außenanschlüsse E11/E21 der Reihenschaltungen RS1/RS2, RS3/RS4 sind mit dem Ausgang des Eingangs-Differenzverstärkers VI verbunden. Der erste Eingang "+" dieses Eingangs-Differenzverstärkers ist mit einer Refe- renzspannung Uref verbunden, und der zweite Eingang "-" dieses Verstärkers VI über eine Rückkopplungsleitung K - im gezeigten Beispiel in unmittelbarer Weise - mit dem zweiten Außenanschluß E12 der Reihenschaltung RS1/RS2. Die Referenzspannung legt also in hochstabiler Weise die Spannung der Stromversorgung der er- sten Reihenschaltung fest, um die Ausgangsspannung der Sensora¬ nordnung Ua bzw. Us auf einfache Weise unabhängig von Schwan¬ kungen der Stromversorgung der Sensoranordnung zu machen.
Erfindungsgemäß ist im gezeigten Beispiel die erste Reihenschal- tung RS1/RS2 mit einem temperaturunempfindlichen ohmschen Wider¬ stand Rtk überbrückt, der nämlich - jedenfalls im Vergleich zur starken Temperaturempfindlichkeit der piezoresistiven Wider¬ stände der Widerstandsschaltung RS1/RS2, RS3/RS4 - zumindest weitgehend wenn nicht völlig temperaturunempfindlich ist.
Erfindungsgemäß wird der einfache ohmsche, im Vergleich zur Temperaturempfindlichkeit von piezoresistiven Widerständen tem¬ peraturunempfindliche Widerstand Rtk eingefügte. Diese simple Maßnahme gestattet, die Temperaturempfindlichkeit der Beschleu- nigungse pfindlichkeit der Sensoranordnung zu kompensieren :
Diese Kompensationswirkung des erfindungsgemäß eingefügten Wi¬ derstandes Rtk beruht - wie bereits erwähnt - letztendlich dar¬ auf, daß bei der noch nicht erfindungsgemäß temperaturkompen- sierten Sensoranordnung das Ausgangssignal Ua bzw. Us der Wi¬ derstandsschaltung RS1/RS2/RS3/RS4, solange keine Beschleuni¬ gungen auftreten, durch Temperaturänderungen in entgegengesetz¬ ter Weise (mathematisch formuliert : das Vorzeichen der Aus¬ gangssignaländerung) beeinflußt wird im Vergleich dazu, wie dieselbe Temperaturänderung die Beschleunigungsempfindlichkeit dieser Sensoranordnung beeinflußt , sobald eine Beschleunigung auftritt . Hierbei entspricht die Beschleunigungsempfindlichkeit jener Amplitude des Ausgangssignales Ua bzw . Us , welche bei einem best immten Wert der Beschleunigung au ftritt.
Überdies beruht die Kompensationswirkung des erfindungsgemäß eingefügten Widerstandes Rtk darauf, daß normalerweise der Be¬ trag der Temperaturempfindlichkeit der Widerstandsschaltung bei Beschleunigung NULL, also die alleine durch eine Temperaturän- derung bewirkte Änderung der Spannung Ua zwischen den Anschlüs¬ sen A1/A2, deutlich den Betrag der durch diese Temperaturände¬ rung in entgegengesetzter Richtung hervorgerufenen Änderung der Beschleunigungsempfindlichkeit überwiegt.
Daher wird erfindungsgemäß der temperaturunempfindliche Wider¬ standes Rtk parallel zur ersten Reihenschaltung RS1/RS2 bzw. parallel zur Widerstandsschaltung RS1/RS2/RS3/RS4 geschaltet. Durch diese Parallelschaltung wird die Temperaturempfindlich¬ keit der Widerstandsschaltung RS1/RS2/RS3/RS4 - je nach dem Wi- derstandswert des Widerstandes Rtk - beliebig stark verringer¬ bar. Erfindungsgemäß wird durch eine sinnvolle Wahl des Wider¬ standswertes für den parallelgeschalteten temperaturunabhängi¬ gen Widerstand Rtk erreicht, daß die Temperaturempfindlichkeit der Widerstandsschaltung RS1/RS2/RS3/RS4 die entgegengesetzt gerichtete Temperaturempfindlichkeit der Beschleunigungsemp¬ findlichkeit ausreichend kompensiert, jedenfalls hinsichtlich der linear von der Temperatur und von der Beschleunigung abhän¬ gigen Komponenten der Ausgangsspannungsänderungen an den Klem¬ men Ua bzw. Us.
Diese überraschend einfache er findungsgemäße Maßnahme , allei n mittels eines temperaturunempfindlichen Widerstandes Rtk zumin¬ dest di e linearen Komponenten dieser beiden Temperaturempfi nd¬ lichkeiten der Sens oranordnung zumindest sehr weitgehend zu kompensieren , löst als o das oben beschr iebene Hauptp roblem , nämlich di e Kompensat ion der Temperaturempfi ndlichke it der Be- schleunigungsempfindlichkeit der Sensoranordnung, ohne dafür den bisher zu hohen Aufwand zu benötigen.
Die Erfindung gestattet vor allem, die Sensoranordnung unabhän- gig vom jeweiligen Klima als präzise Meßanordnung für Beschleu¬ nigungen zu verwenden, und zwar z.B. auch als Crashsensor für die vom präzisen Beschleunigungsverlauf abhängige Steuerung von Airbags, von Überrollbügeln und von ähnlichen Insassenschutzsy¬ stemen von Fahrzeugen zu verwenden, in welchen die Insassen im Crashfalle bei jedem Wetter zuverlässig geschützt sein sollen. Durch die Erfindung wird -also mit extrem wenig Aufwand z.B. er¬ reichbar, die Sensoranordnung sowohl im strengsten Winter als auch bei großer Hitze als zuverlässigen Beschleunigung- bzw. Verzögerungs- bzw. Crashsensor zu verwenden, obwohl sie inde- stens einen wenn nicht mehrere piezoresistive Widerstände mit mehr oder weniger toleranzbehafteten Temperaturverhalten ent¬ hält.
Den optimalen Widerstandswert des erfindungsgemäß eingefügten Widerstandes Rtk kann man bei jeder einzelnen Sensoranordnung an sich leicht durch Versuche ermitteln. Im Folgenden sei ge¬ zeigt, wie man die optimale Dimensionierung des Widerstandswer¬ tes des Widerstandes Rtk auch rein rechnerisch bei einem Bei¬ spiel abschätzen kann, welches der Figur 1 entspricht; Hierbei werden, um das Rechenbeispiel nicht zu kompliziert zu machen, einige vereinfachende, aber sehr praxisnahe Annahmen gemacht :
Jeder der vier Widerstände RS1 , RS2, RS3, RS4 sei durch einen Dehnungsmeßstreifen gebildet. Sie wurden z.B. jeweils möglichst gleichzeitig miteinander in Serie - z.B. hochintegriert gemein¬ sam auf einem einzigen Chip - hergestellt und weisen daher, un¬ tereinander betrachtet, ziemlich genau denselben Widerstands¬ wert auf. Die gemäß der Figur 1 hergestellte Sensoranordnung entspricht damit weitgehend den in der Firmendruckschrift von IC-Sensors beschriebenen Sensoranordnungen, wenn diese jeweils vier unter sich weitestgehend identische Dehnungsmeßstreifen für die Widerstände RS1, RS2, RS3 und RS4 enthalten. Meßergebnisse an einem entsprechenden käuflichen, noch nicht erfindungsgemäß kompensierten Exemplar der Sensoranordnung der Fa. IC-Sensors zeigen, daß folgende Werte der noch nicht erfin¬ dungsgemäß temperaturstabilisierten Sensoranordnung praxisnah, also realistisch sind (g bedeutet jeweils die mit der Sensoran¬ ordnung gemessene positive oder negative Beschleunigung) :
Die Beschleunigungsempfindlichkeit s der Widerstandsschal¬ tung der unkompensierten Sensoranordnung, bezogen auf die Ausgangsspannung Ua zwischen ihren Abgriffen A1/A2, beträgt z.B. : s = 0,8 mV / ( g x 5 V ) +_ 25 % ; Diese Beschleunigungsempfindlichkeit streut also stark von Exemplar zu Exemplar. Der Wert s ist wegen der Impondera- bilien der Herstellungsphasen stark toleranzbehaftet.
Trotz der hohen Toleranzen des s-Wertes sind im hier be¬ trachteten Beispiel die Widerstandswerte Rb der vier Wi¬ derstände RS1, RS2, RS3, RS4 unter sich fast gleich groß, z.B. weil das Design für die Widerstandsanordnung auf der Chipoberfläche entsprechend gewählt ist. Trotzdem kann der Widerstandswert Rb der vier Widerstände RS1 bis RS4 dieses Chip von Serie zu Serie starke Unterschiede aufweisen : Rb = 3,75 kOhm + 1,25 kOhm.
Der Temperaturkoeffizient TCR der Widerstandswerte Rb der vier Widerstände RS1, RS2, RS3, RS4 beträgt z.B. :
TCR = 0,25 % / ' K + 0,02 % / ' K ; K bedeutet hier Kelvin. Dieser Temperaturkoeffizient TCR ist positiv und stark toleranzbehaftet.
Der - im Rahmen der Erfindung besonders wichtige - Tempe¬ raturkoeffizient TCS der Beschleunigungsempfindlichkeit s der Widerstandsschaltung der unkompensierten Sensoranord- nung, bezogen auf die Ausgangsspannung zwischen den Ab¬ griffen A1/A2, beträgt z.B. :
TCS = - 0,15 % / °K ± 0,05 % / °K ; K bedeutet wieder Kelvin. Dieser Temperaturkoeffizient TCS wird durch Temperaturabhängigkeit der Beschleunigungsemp- findlichkeit (bzw. Dehnungs-, Stauchungs- oder Verdre¬ hungsempfindlichkeit) der einzelnen piezoresistiven Wider¬ stände RS1, RS2, RS3 und RS4 bestimmt. TCS ist negativ - statt positiv wie TCR i - und ist für sich ebenfalls stark toleranzbehaftet. Sein absoluter Betrag |TCS| ist z.B., für sich betrachtet, etwa halb so groß wie der absolute Betrag [TCR| des Temperaturkoeffizienten TCR der Widerstandswerte Rb.
Die Widerstandsschaltungen von verschiedenen Exemplaren der Sensoranordnungen weisen ^Iso nicht nur wegen ihrer unter¬ schiedlich großen Rb-Werte, sondern insbesondere auch wegen ihrer TCS-Werte, starke Exemplarstreuungen auf. Trotzdem können sie alle erfindungsgemäß auf unkomplizierte Weise mittels eines Widerstandes Rtk temperaturkompensiert werden. Dazu wird der ersten Reihenschaltung RS1/RS2 ein solcher temperaturunabhängi¬ ger Widerstand Rtk parallelgeschaltet, welcher den positiven Temperaturkoeffizienten dieser Parallelschaltung zwar weiterhin positiv, aber so klein macht, daß dieser Temperaturkoeffizien- ten denselben Betrag, aber das entgegengesetzte Vorzeichen wie die - von Haus aus negative - Temperaturempfindlichkeit TCS der Beschleunigungsempfindlichkeit dieser Sensoranordnung aufweist, so daß im Ergebnis der negative Temperaturkoeffizient TCS kom¬ pensiert wird:
Der Widerstandswert des Widerstandes Rtk kann dann betra¬ gen :
Rtk = ( 2 x Rb x [TCS| ) / ( |TCR| - |TCS| ) ;
Bei der betrachteten Sensoranordnung hängt also der optimale Widerstandswert Rtk von dem jeweiligen Widerstandswert Rb der Widerstände der betreffenden Widerstandsschaltung ab, sowie von den absoluten Beträgen |TCS| und |TCR| der betreffenden Tempe¬ raturkoeffizienten - und damit von der jeweiligen Größe der To- leranzabweichungen der betreffenden Daten des betreffenden Ex¬ emplars der Sensoranordnung. Rtk kann also beim betrachteten Beispiel je nach dem speziellen Wert der toleranzbehafteten Widerstände Rb und der toleranzbe¬ hafteten Koeffizienten TCR und TCS unterschiedliche optimale Widerstandswerte aufweisen. Die Figur 2 zeigt dafür die Kurven für die Maximalwerte und die Minimalwerte dieses optimalen Wi¬ derstandswertes für den Widerstand Rtk, abhängig von dem jewei¬ ligen Temperaturkoeffizienten TCS der Beschleunigungsempfind¬ lichkeit s der Widerstandsschaltung. Es handelt sich übrigens um Widerstandswerte, die jeweils leicht realisierbar sind. Man kann das in der Figur 2 gezeigte Diagramm sogar dazu benutzen, die benötigten Widerstandswerte Rtk für das jeweilige Sensoran¬ ordnungsexemplar grob abzuschätzen.
Wenn die Widerstandswerte Rb der vier Widerstände RS1, RS2, RS3, RS4 unter sich ungleich sind, und auch wenn die Koeffizi¬ enten TCR und TCS von den oben angegebenen Werten abweichen, ergibt die Rechnung einen entsprechend abweichenden optimalen Widerstandswert Rtk, wobei der einschlägige Fachmann die dafür nötige Rechnung mittels seines Fachwissens durchführen kann. Außerdem kann auch dann der optimale Widerstandswert Rtk je¬ weils leicht durch Versuche gefunden werden.
Durch eine solche Optimierung der Widerstandswertes Rtk der Sensoranordnung kann also eine optimale Temperaturkompensation der Beschleunigungsempfindlichkeit sogar jeweils mit einem ein¬ zigen Widerstand Rtk erreicht werden.
Das in der Figur 1 gezeigte Beispiel gestattet zusätzlich, den erfindungsgemäßen Temperaturabgleich ohne Veränderung des Ar- beitspunktes der gesamten Sensoranordnung zu erreichen, bzw. solche Veränderungen des Arbeitspunktes sehr gering zu halten :
In der Regel weist nämlich die Ausgangsspannung Ua bzw. Us bei der Beschleunigung g = NULL ziemlich genau denselben Wert wie die Referenzspannung Uref am ersten Eingang des Eingangs-Diffe¬ renzverstärkers auf. Durch Einstellen von Uref kann man also den Arbeitspunkt der Ausgangsspannung Ua bzw. Us justieren. Die Justierbarkeit mittels Uref ist zumindest dann gegeben, solange man nicht besondere, ausgesprochen ungeeignete Schaltungen für den Eingangs-Differenzverstärker VI und auch nicht für den evtl. noch angebrachten Ausgangsverstärker V2 wählt. Eine erst nachträgliche Wahl von Uref stört dabei nicht mehr die vorher¬ gehende Temperaturkompensation der Beschleunigungsempfindlich¬ keit.
Das in der Figur 1 gezeigte Beispiel enthält in Reihe zur ersten Reihenschaltung RS1/RS2 zusätzlich den temperaturunemp¬ findlichen ohmschen Vorwiderstand Re, besonders um - auch noch nach der erfindungsgemäßen Temperaturkompensation - auf einfa¬ che Weise die Beschleunigungsempfindlichkeit s der Sensoranord¬ nung zu beeinflussen, - also die Amplitude des Sensorausgangs- signales zu beeinflussen, bezogen auf einen bestimmten Wert der Beschleunigung bzw. bezogen auf jene Amplitude, mit welcher der Widerstandswert Rb des / der piezoresistiven' Widerstandes / Wi¬ derstände des Sensors bei einer Beschleunigung g verändert wird.
Eine solche Beeinflussung der Beschleunigungsempfindlichkeit s der Sensoranordnung kann bei der erfindungsgemäß kompensierten Sensoranordnung nämlich schon alleine dadurch erreicht werden, daß der zweite Eingang "-" des Eingangs-Differenzverstärkers VI über die Rückkopplungsleitung K mit einer Verbindungsstelle zwischen dem zweiten Außenanschluß E12 der ersten Reihenschal¬ tung RS1/RS2 und dem in der Figur 1 gezeigten Vorwiderstand Re verbunden wird. So kann durch unkomplizierte Dimensionierung des Widerstandswertes dieses Vorwiderstandes Re die Beschleuni¬ gungsempfindlichkeit s an den jeweiligen Bedarf angepaßt wer- den, also z.B. justiert, erhöht oder verringert werden, - und zwar sogar ohne dadurch den Arbeitspunkt und die erfindungsge¬ mäße Temperaturkompensation der Beschleunigungsempfindlichkeit verändern zu müssen.
Der Widerstandswert dieses Vorwiderstandes Re kann überdies im Prinzip verschieden dimensioniert werden, je nach dem gewünsch¬ ten Wert der Beschleunigungsempfindlichkeit s der Sensoranord- nung. Auch der optimale Widerstandswert dieses Vorwiderstandes Re kann nicht nur durch einen Versuch, sondern auch durch Rech¬ nen ermittelt oder zumindest abgeschätzt werden :
Der Einfachheit wegen sei hier wieder jenes Sensoranordnungsex¬ emplar betrachtet, welches vier unter sich weitgehend gleiche piezoresistive Widerstände und die oben beispielhaft angegebe¬ nen Daten aufweist und für welches oben der optimale Wider¬ standswert des Widerstandes Rtk errechnet wurde. Dann beträgt vor der Einfügung des Vorwiderstandes Re (g bedeutet wieder die mit der Sensoranordnung gemessene Beschleunigung bzw. Verzöge¬ rung)
die IST-Beschleunigungsempfindlichkeit s der Widerstands- Schaltung : s = 0,8 mV / ( g x 5 V ) +.25 % ■
Die gewünschte SOLL-Beschleunigungsempfindlichkeit sk der Widerstandsschaltung soll aber nach Einfügung des Vorwi- derstandes Re z.B. betragen : sk = 0,37 mV / g oder ein beliebiger anderer Wert ;
Der Widerstandswert des in die Erfindung einzufügenden temperaturunempfindlichen ohmschen Vorwiderstandes Re be- trägt dann :
Re = ( Uref x 2 x Rb x s x |TCS| ) / ( sk x |TCR| )
Die Figur 3 zeigt für das gewählte Sensoranordnungsbeispiel die Kurven für die Maximalwerte und die Minimalwerte für den Wider- standswert des Vorwiderstandes Re, abhängig von dem jeweiligen Temperaturkoeffizienten TCS der Beschleunigungsempfindlichkeit s. Es handelt sich also auch hier um leicht realisierbare Wi¬ derstandswerte für diesen Vorwiderstand Re. Man kann auch das in der Figur 3 gezeigte Diagramm dazu benutzen, für das jewei- lige Sensoranordnungsexemplar die benötigten Widerstandswerte für den Vorwiderstand Re grob abzuschätzen. Die Beschleunigungsempfindlichkeit sk (bzw. s) kann - zusätz¬ lich oder alternativ - auch noch durch eine andere einfache Maßnahme justiert (bzw. erhöht und verringert) werden : Man kann nämlich die Spannung Ua zwischen den Abgriffen A1/A2 der Widerstandsschaltung auch einem Ausgangsverstärker V2 zuleiten, der z.B. ebenfalls durch einen Differenzverstärker gebildet werden kann, vgl. die Figur 1.
Die Sensoranordnung kann an sich einen symmetrischen Ausgang aufweisen. Dazu kann z.B. die Spannung Ua zwischen den Abgrif¬ fen A1/A2 als Ausgangsspä nung der Sensoranordnung verwendet werden. Im Prinzip kann auch der Ausgangsverstärker V2 einen symmetrischen Ausgang aufweisen und damit ein symmetrisches Ausgangssignal liefern. In beiden Fällen können an sich hierbei - aber müssen nicht - die zweiten Außenanschlüsse E12, E22 lei¬ tend miteinander verbunden sein.
Die in der Figur 1 gezeigte Sensoranordnung weist aber einen asymmetrischen Ausgang Us auf, weil hier beispielhaft die Aus- gangsspannung über die Klemmen Us und Masse an einen nicht ge¬ zeigten Verbraucher abgegeben wird. Die - je nach der Dimensio¬ nierung und der Materialwahl für die vier Widerstände RS1, RS2, RS3 und RS4 - mehr oder weniger symmetrische Ausgangsspannung Ua zwischen den Abgriffen A1/A2 der Widerstandsschaltung wird nämlich im gezeigten Beispiel mittels des Ausgangsverstärkers V2 auf einen unsymmetrischen Ausgang Us/Masse umgesetzt.
Im gezeigten Beispiel wird dazu übrigens das Ausgangssignal Ua nicht nur über einen zweiten Differenzverstärker V2 geleitet. Es ist nämlich außerdem der zweite Außenanschluß E22 der zwei¬ ten Reihenschaltung RS3/RS4 unmittelbar mit dem Ausgangsan¬ schluß des zweiten Differenzverstärkers V2 verbunden, statt nach Art einer Wheatstone1sehen Brücke mit der zweiten Außenan¬ schluß E12 der ersten Reihenschaltung RS1/RS2. Dann kann das Ausgangssignal Us durch den Ausgangsverstärker V2 z.B. um 6 dB gegenüber Ua verstärkt werden. Trotz der hohen Beschleunigungs¬ empfindlichkeit s bzw. sk der Sensoranordnung kann man also mit wenig Aufwand ein asymmetrisches Ausgangssignal Us der Sensora¬ nordnung z.B. dadurch erhalten, daß man den Ausgang des Aus¬ gangsverstärkers V2 mit dem zweiten Außenanschluß E22 der zwei¬ ten Reihenschaltung RS3/RS4 verbindet. Auch ist übrigens Uref = Us, d.h. dann hat die asymmetrische Ausgangsspannung Us bei der Beschleunigung g = NULL und bei vernünftiger Wahl bzw. vernünf¬ tiger Dimensionierung der Verstärker VI und V2 einen von Uref festgelegten Wert Us. Diese Art, einen asymmetrischen Ausgang zu bilden, weist daher den Vorteil auf, daß, trotz der Beein- flussung der Beschleunigungsempfindlichkeit sk bzw. s mittels des Ausgangsverstärkers V2, der Arbeitspunkt weiterhin durch die Referenzspannung Uref justierbar bleibt und daß dadurch die erfindungsgemäße Temperaturkompensation der Beschleunigungsemp¬ findlichkeit nicht, oder jedenfalls nicht wesentlich, verändert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoresistive Sensoranordnung, z.B. für ein Insassen¬ schutzsystem eines Fahrzeuges, wobei eine Widerstandsschaltung (RS1/RS2, RS3/RS4) mit mindestens vier, an sich beliebig großen also z.B. unter sich unter¬ schiedlich großen oder gleich großen, Widerständen (RS1, RS2, RS3, RS4) angebracht ist, β von welchen (RS1, RS2, RS3, RS4) zwei Widerstände eine erste Reihenschaltung" (RS1/RS2) und die zwei anderen Widerstände eine zweite Reihenschaltung (RS3/RS4) bilden mit jeweils einem Abgriff (AI, A2) zwischen ihnen (RS1/ RS2, RS3/RS4), und β bei welchen (RS1, RS2, RS3, RS4) jeweils der erste (Eil, E21) der beiden Außenanschlüsse (E11/E12, E21/E22) der Reihenschaltungen (RS1/RS2, RS3/RS4) miteinander verbunden (Eil mit E21) sind, der Sensor (RS1, RS2, RS3, RS4) mindestens einen einzigen piezoresistiven Widerstand (RS1, RS2, RS3, RS4) zur Erzeu¬ gung des Ausgangssignales (Us) der Sensoranordnung enthält, der Sensor (RS1, RS2, RS3, RS4) in elektrischer Hinsicht ' entweder die Widerstandsschaltung (RS1/RS2, RS3/RS4) darstellt, wobei mindestens einer dieser vier Widerstände (RS1, RS2, RS3, RS4) ein piezoresistiver Widerstand ist, oder durch einen oder mehrere Widerstände (RS3/RS4) zu der vier Widerstände (RS1, RS2, RS3, RS4) enthaltenden Widerstandsschaltung (RS1/RS2, RS3/RS4) ergänzt ist, das Ausgangssignal (Us) der Sensoranordnung die Spannung (ua) zwischen den Abgriffen (A1/A2) darstellt oder mit dieser Spannung (Ua) korreliert, und die ersten Außenanschlüsse (E11/E21) der Reihenschaltungen (RS1/RS2, RS3/RS4) mit dem Ausgang eines Eingangs-Diffe¬ renzverstärkers (VI) verbunden sind, β dessen (VI) erster Eingang (+) mit einer Referenzspan¬ nung (Uref) verbunden ist, und
* dessen (VI) zweiter Eingang (-) über eine Rückkopplungs¬ leitung (K) mit dem zweiten Außenanschluß (E12) der be- treffenden Reihenschaltung (RS1/RS2) verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die erste Reihenschaltung (RS1/RS2) mit einem - zumindest weitgehend wenn nicht völlig - temperaturunempfindlichen Widerstand (Rtk) überbrückt ist.
2. Sensoranordnung nach 'Patentanspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die vier Widerstände (RS1, RS2, RS3, RS4) der Widerstands¬ schaltung (RS1/RS2, RS3/RS4) jeweils piezoresistive Wider- stände sind, und der Sensor in elektrischer Hinsicht die vier piezoresisti¬ ven Widerstände der Widerstandsschaltung (RS1/RS2, RS3/RS4) darstellt, wobei durch eine Beschleunigung zwei der Widerstände (RS1, RS4) gedehnt und die zwei anderen Widerstände (RS2, RS3) gestaucht werden.
3. Sensoranordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rückkopplungsleitung (K) mit einer Verbindungsstelle zwischen dem zweiten Außenanschluß (E12) der ersten Rei¬ henschaltung (RS1/RS2) und einem temperaturunempfindlichen Vorwiderstand (Re) verbunden ist.
4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Patentan- sprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erzeugung des Ausgangssignales (Us) der Sensoranord¬ nung, die Spannung (Ua) zwischen den Abgriffen (A1/A2) einem Ausgangsverstärker (V2) zugeleitet wird.
5. Sensoranordnung nach Patentanspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nur die ersten (Eil, E21), aber nicht die zweiten (E12, E22) Außenanschlüsse (Eil, E12, E21, E22) der Reihenschal- tungen (RS1/RS2, RS3/RS4) miteinander verbunden sind, nur der zweite Außenanschluß (E12) der ersten (RS1/RS2) der beiden Reihenschaltungen (RS1/RS2, RS3/RS4) mit dem zweiten Eingang (-) des Eingangs-Differenzverstärkers (VI) verbunden ist, und - der Ausgang des Ausgangsverstärkers (V2) mit dem zweiten Außenanschluß (E22) der zweiten Reihenschaltung (RS3/RS4) verbunden ist.
PCT/DE1991/000211 1990-11-27 1991-03-11 Piezoresistive sensoranordnung, z.b. für ein insassenschutzsystem eines fahrzeuges WO1992009898A1 (de)

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DE9016133U DE9016133U1 (de) 1990-11-27 1990-11-27 Piezoresistiver Sensor
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PCT/DE1991/000211 WO1992009898A1 (de) 1990-11-27 1991-03-11 Piezoresistive sensoranordnung, z.b. für ein insassenschutzsystem eines fahrzeuges

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WO (1) WO1992009898A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2414193A1 (fr) * 1978-01-06 1979-08-03 Hitachi Ltd Appareil transducteur a jauge de contrainte ayant un pont d'impedance ameliore
EP0276380A1 (de) * 1987-01-29 1988-08-03 MANNESMANN Aktiengesellschaft Einrichtung zur Temperaturkompensation in einem thermischen Massenstrommesser

Patent Citations (2)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MACHINE DESIGN Bd. 56, Nr. 14, 21. Juni 1984, CLEVELAND USA Seiten 95 - 96; BRYZEK: 'TEMPERATURE COMPENSATION FOR SILICON SENSORS ' siehe das ganze Dokument *

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