WO2018172037A1 - Sensoreinrichtung und überwachungsverfahren - Google Patents

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WO2018172037A1
WO2018172037A1 PCT/EP2018/055086 EP2018055086W WO2018172037A1 WO 2018172037 A1 WO2018172037 A1 WO 2018172037A1 EP 2018055086 W EP2018055086 W EP 2018055086W WO 2018172037 A1 WO2018172037 A1 WO 2018172037A1
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sensor
unit
acceleration
sensor device
memory device
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PCT/EP2018/055086
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Fabian Purkl
Daniel Pantel
Andreas Schatz
Christoph Schelling
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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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
    • G01P15/0891—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 with indication of predetermined acceleration values
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D79/00—Kinds or details of packages, not otherwise provided for
    • B65D79/02—Arrangements or devices for indicating incorrect storage or transport
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    • G—PHYSICS
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    • 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
    • G01P15/124—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 by semiconductor devices comprising at least one PN junction, e.g. transistors

Definitions

  • the monitoring system has a
  • Control module a monitoring module, a data transmission module, a storage unit and optionally an alarm unit and a locating unit.
  • a temperature, humidity, angle and acceleration sensor are integrated in the monitoring unit.
  • the evaluation module evaluates the results of the various sensors and stores the information non-volatile in the memory unit, a non-volatile ferroelectric memory chip. To power a 1000 mAh lithium battery is provided.
  • Threshold of a physical quantity provided with a memory device with a variable electrical resistance, wherein the
  • Resistance can be varied in a predetermined manner by the defined voltage delivered by the sensor unit, and wherein the sensor device has a
  • Readout device for enabling a readout of a status of
  • Storage device comprises.
  • the sensor device with the features of the independent claim has the advantage that a sensor generates an electrical voltage that can be detected by an influence of a physical quantity when a predetermined threshold value is exceeded due to the influence of the physical quantity.
  • the electrical voltage generated in this case is advantageously used to change an electrical resistance of a memory device in order subsequently to read out an altered status of the memory device
  • the storage also makes it possible to reliably detect a single exceeding of a predetermined threshold value during a long monitoring period without having to provide a power supply for the entire measuring period. This is particularly advantageous if the status of a goods to be transported is to be monitored for a transport or storage period, in particular since an evaluation also with a time delay and thus long after the occurrence of exceeding the
  • predetermined threshold can be done.
  • storing by means of a change in an electrical resistance a particularly simple electronic evaluation of a change in the memory state is also possible.
  • the sensor unit has at least one acceleration sensor.
  • an exceeding of a predetermined acceleration value occurring during the measurement period can be ascertained.
  • it can be determined, for example, that the sensor device and thus the device on which the sensor device is arranged has fallen beyond a predetermined extent to the ground.
  • a shock load of the sensor device and thus a shock load of a device on which the sensor device is arranged can be determined.
  • the sensor unit has at least three acceleration sensors, each in a spatial direction
  • the three spatial directions are in this case preferably arranged orthogonal to one another, so that an acceleration in each spatial direction can be measured. In this way, a reliable detection of a shock beyond a predetermined amount can be measured in every spatial direction.
  • acceleration sensor (s) As
  • piezoelectric bending sensors In particular as piezoelectric bending sensors.
  • the use of piezoelectric materials allows one Version in microsystem design, so that the sensor device can be displayed very small.
  • the application of the piezoelectric effect requires no additional power supply to the sensor.
  • the charge carriers required for the measurement are generated by the acceleration and only have to be stored.
  • electrical semiconductor components as memory unit, wherein the electrical voltage or charge quantity generated by the sensor unit can be used to change the electrical resistance of the semiconductor element.
  • the relatively small amounts of charge to be sufficient to change the electrical resistance of such a semiconductor device such as a FeFET measurable.
  • a conductor element can be used, which is destroyed at a defined current, similar to a fuse. This ensures that after the destruction of the conductor element a change in the state can be detected in a secure manner.
  • Memory device is part of a resonant circuit.
  • the resonant frequency of the resonant circuit is changed consisting of a capacitor and the variable resistor.
  • the change in the resonance frequency can be detected in a simple manner.
  • the memory unit is connected directly or as part of the resonant circuit with an RFID unit, so that a readout of the resonant circuit and a preferably encoded data transmission by a particular passive R Fl D transformer can be done.
  • a readout of the resonant circuit and a preferably encoded data transmission by a particular passive R Fl D transformer can be done.
  • Resonant frequency induces an AC voltage to determine the resonant frequency.
  • ReRAM or a Memristors When using a FeFET, ReRAM or a Memristors also a reuse of the sensor device can be made possible. Either the current resistance is then defined as the new output value. Or it can be achieved by a suitable electromagnetic pulse z. B. reset by an induction of a sufficient voltage or an externally applied current, the resistance to an initial state. When using an EEPROM, it is also possible to reset a sensor status by UV radiation.
  • FIG. 1 shows a system with a sensor device according to the invention and an external evaluation device in detail
  • FIG. 2 shows a use of a plurality of sensor devices according to the invention for monitoring goods to be transported
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a piezoelectric bending acceleration sensor in a first view
  • FIG. 4 shows a representation of the bending sensor from FIG. 3 in one
  • Figure 5 and 6 an example of a representation of an inventive
  • FIG. 7 shows a first exemplary embodiment of an electrical interconnection of a sensor device according to the invention
  • FIG. 8 shows a second, alternative exemplary embodiment for an interconnection of a sensor device according to the invention
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a rectifier
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of a memory device of FIG.
  • Figure 11 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows a sensor device 1 which has a sensor unit 2.
  • the sensor device 1 can be arranged immovably in a room.
  • a use of a sensor device 1 is advantageous, which is arranged on a movable Good, for example a package.
  • the sensor device 1 concealed within the package.
  • the sensor unit 2 is designed to measure a physical quantity and in particular to generate a voltage that is detected by a memory device 3 in such a way that an electrical resistance of the memory device 3 is changed when a predetermined threshold value is exceeded.
  • the sensor unit 2 is in a preferred manner as a
  • Acceleration sensor carried out, wherein an electrical voltage is generated, the magnitude of which increases with the magnitude of an acting acceleration.
  • the sensor unit is embodied in particular having a piezoelectric element. Due to the acceleration, there is a compression or expansion of the piezoelectric element, so that one through the
  • the sensor unit 2 is designed as a chemical sensor which emits an electrical voltage as a function of the presence of a chemical substance to be detected, for. B. depending on one
  • the sensor unit 2 is also possible to design the sensor unit 2 as a thermoelectric element which emits an electrical voltage at a detected temperature difference.
  • the invention is based on the example of a
  • Acceleration sensor executed. If an object falls from a height of, for example, 1 meter onto a hard ground, this leads to a considerable acceleration acting on the object, a so-called shock. This increased acceleration value can be reliably detected by means of an acceleration sensor, so that when a predetermined acceleration value which exceeds a case from a predetermined height to a hard ground, eg. As concrete, corresponds, for. B. 30 cm, can be found. Is in one by the
  • Sensor device 1 monitored packet, for example, a sensitive
  • the memory device 3 is designed in such a way that due to the voltage and the charge carriers transferred as a result of the voltage, it leads to a Resistance change of the storage device 3 comes.
  • the memory device 3 is designed for this purpose as a semiconductor element.
  • the semiconductor element can be implemented, for example, as a resistive random access memory (ReRAM), a ferroelectric field effect transistor (FeFET), a memristor, an EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), an M RAM (Magnetoresistive Random Access Memory) or a flash memory be.
  • the storage device 3 can also have a very thinly designed conductor region, which undergoes such a current as a result of the voltage pulse with sufficient acceleration that it heats up and is interrupted as a result of the heating due to evaporation of the conductor material.
  • the destructible conductor element is designed according to an electrical fuse. Also, a breakthrough of a non-electrically conductive dielectric is possible, which is designed very thin between two electrodes. When exceeding a certain voltage, the breakdown voltage, with a sufficient
  • an electrically conductive path is permanently generated by the dielectric.
  • the storage device 3 together with a capacitor 4 is part of a resonant circuit 5
  • Memory device 3 to switch, so that the operation of a
  • a readout of the resonant circuit by means of a readout unit 6, which has a conductor loop 7, which is brought into the vicinity of a conductor loop region 8, which is part of the resonant circuit.
  • a readout unit 9 detects the resonance frequency and compares the measured resonance frequency with a stored in a memory unit 11
  • Resonant frequency is either found to be a predetermined one
  • Threshold was not exceeded or that a predetermined threshold was exceeded.
  • a plurality of threshold values can also be predetermined.
  • the measurement result can be transmitted to an external unit, which is not shown in FIG. 1, via a radio interface 10.
  • Measurement result is displayed in a display 13. Via an input unit 14 it is possible to control various measurements. In another
  • the readout unit 9 is driven to induce a strong voltage signal, which resets an electrical resistance of the memory device 3, so that the sensor device 1 can be used for a new measurement.
  • Sensor device 1 has an RFID unit 15, which is operated in particular passive.
  • the read-out unit 9 is designed such that an evaluation signal is emitted, which excites the RFID unit 15 to query the memory device 3 or the resonant circuit 5.
  • Resonant circuit 5 is detected in this case by the RFID unit 15 and can then be transmitted from the RFID unit 15 to the read-out unit 9.
  • FIG. 2 an embodiment is shown, in which a plurality of goods 21, 22 are arranged for example in a storage room or cargo volume.
  • the first material 21 has a sensor device 23 arranged on the first material 21.
  • the second material 22 has a second sensor device 24 arranged on the second material 22.
  • a readout unit 25 is provided for this purpose, in particular by querying various RFID units
  • the first and the second sensor device 23, 24 are according to the second embodiment with an RFID unit 15 according to the
  • the acceleration sensor may be implemented in microsystem technology or as a bulk.
  • the piezoelectric element is designed in thin-film form. In a suitable choice of the piezoelectric this can be used both as a piezoelectric element for the sensor unit on the one hand, but also as a storage layer, for. In the use of ferroelectric materials such as PZT or BFO.
  • the memory unit and the sensor unit can be arranged on a wafer or a chip.
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of a sensor unit for measuring a mechanical acceleration.
  • a beam 30 of a piezoelectric material is disposed on a substrate 31.
  • the piezoelectric material for example, lead zirconate titanate (PZT; PbZr x , TL-x0 3 ), KNN (KxNai-xNbO 3 ), NBT (Na x Bi xTiO 3 ), AIN, Sc x Alix x , PMN-PT (1 - x [Pb (Mg y Nbi- y ) 03] -x [PbTi0 3 ]) or BFO (BiFe0 3 ).
  • PZT lead zirconate titanate
  • PbZr x TL-x0 3
  • KNN KxNai-xNbO 3
  • NBT Na x Bi xTiO 3
  • AIN Sc x Alix x
  • PMN-PT (1 -
  • the PZT material is preferred in this case, since the piezoelectric properties are particularly pronounced and thus sufficiently high voltages can be easily generated.
  • a mass element 32 for example made of a silicon material, is arranged at the end of the piezoelectric beam 30 remote from the substrate.
  • FIG. 4 shows a section through the beam 30 along the dashed line 33 in FIG.
  • a first electrode 41 and a second electrode 42 are arranged on a first side 40 opposite second side 39.
  • a third electrode 43 and a fourth electrode 44 are arranged on a first side 40 opposite second side 39.
  • a deflection of the mass 32 for example, in a plan view of the figure 3 to the right in a direction 34, there is a compression of the second electrode 42 and an elongation of the first electrode 41.
  • Electrodes 43 and 44 compressed or stretched. Which by the opposite piezo effect by compression and
  • Strain resulting voltage difference can be tapped and performed as a measurement signal for acceleration to a memory device.
  • a bending beam other oscillating systems can be realized. In the present embodiment, however, the invention is illustrated by the example of a bending beam.
  • FIGS. 5 and 6 show a further exemplary embodiment for the illustration of a micromechanical acceleration sensor with a piezoelectric material.
  • a substrate structure 50 according to FIG. 5 is produced.
  • a piezoelectric layer 52 of a piezoelectric material, for example PZT is arranged below a top electrode layer 51.
  • a lower electrode layer 53 which is arranged on a silicon layer 54. This is in turn on one
  • ⁇ tzstop Anlagen 55 in particular arranged from an oxide. This is again on a wafer structure 56.
  • the arrangement of the etch stop layer 55 and the predetermined thicknesses of the silicon layers a defined bending beam thickness and thus a predetermined resonant frequency of the sensor are possible, so that an adjustment of the sensor to different acceleration values to be detected is possible.
  • a representation can now be made such that first the lower electrode 53, which consists for example of platinum or titanium, is sputtered and the piezoelectric layer 52 is deposited thereon. Then, in turn, the upper electrode is sputtered on, for example of platinum or gold. Subsequently, the electrodes and the
  • piezoelectric layer for example, structured by means of ion beam etching, wherein a measuring range 57 is released according to the figure 6. Also the
  • Silicon layers 54, 56 are now structured on both sides, in particular by trenches.
  • the oxide layer (buried oxide (BOX)) is used as ⁇ tzstop Anlagen, wherein the ⁇ tzstop Anlagen 55 is opened at the bottom, so that a bar 58 is released.
  • BOX buried oxide
  • FIG. 7 shows a first circuit arrangement in which a first, second and third sensor device 61, 62, 63 are connected in series with a memory device 64. In each case parallel to the sensor devices 61, 62, 63, a rectifier 65, 66, 67 is connected in each case.
  • the sensor devices may all be arranged such that they measure an acceleration in a spatial direction.
  • a preferred configuration in which a first, second and third sensor device 61, 62, 63 are connected in series with a memory device 64.
  • a rectifier 65, 66, 67 is connected in each case.
  • the sensor devices may all be arranged such that they measure an acceleration in a spatial direction.
  • the acceleration directions of the sensor device 61, 62, 63 but as possible orthogonal to each other in the room arranged such that an acceleration in all three spatial directions can be measured.
  • Acceleration result, possibly cancel each other, are preferred, respectively parallel to the sensor devices 61, 62, 63 the
  • Rectifier 65, 66, 67 arranged.
  • the rectifiers are each connected as diodes, wherein all diodes are connected in the same direction in the circuit.
  • the rectifier in the form of a rectifier circuit with four diodes are designed according to the figure 9, which are connected in series in a ring 69, wherein between each two diodes a
  • the two terminals of the sensor 68 are connected to first and third terminals of the ring 69.
  • Terminals are connected to the inputs of a memory device or a subsequent or preceding element.
  • the individual sensor devices 61 ', 62', 63 ' can also be arranged parallel to one another at the input of a storage device
  • Sensor device is provided a separate memory device.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of a memory device using the example of a ferroelectric field-effect transistor 70.
  • the gate of the ferroelectric field effect transistor 70 is connected to an input 71 via which a voltage supplied by the sensor device is applied. This voltage acts on the ferroelectric region 72 of the FeFET 70.
  • the voltage pulse emitted by the sensor device changes the resistance of a channel region 73 of the FeFET 70.
  • a first terminal 74 and a second terminal 75 at the drain and source of the FeFET 70 thus change an electrical resistance depending on the amount of charge flowing to the gate via the input 71, which is output from the sensor unit to the FeFET 70.
  • a resonance frequency and thus a sensitivity for a desired mechanical acceleration can be set, so that an acceleration and thus a shock threshold value can be realized.
  • Acceleration sensor specified with a silicon bending beam with silicon mass at the end of the bending beam with possible resonance frequencies for corresponding accelerations.
  • a (gr) denotes an acceleration limit value to be detected
  • the memory device having a structure in which burnout of a trace connection occurs when a predetermined value is exceeded, it is similar to one
  • the dielectric used in this case has a known breakdown field strength. Exceeding an acceleration leads to an effect of sufficient acceleration on the
  • silicon oxide can be used as an electrical fuse.
  • silicon oxide a breakthrough occurs from an electric field strength of about 10 MV / cm.
  • a memory cell consisting of one
  • 3 nm thick silicon oxide layer forms a conductive pathway across at 3V voltage.
  • the lateral dimensions of the capacitor structure are chosen in the simplest case so that the capacitance negligible compared to the output capacitance of the
  • Acceleration sensor is.
  • square ones are useful
  • Capacitor structures with a side length in the range 1 - 5 ⁇ .
  • FIG. 11 shows an example of an invention
  • a subsequent measuring step 81 the sensor device monitors the physical variable to be monitored.
  • a subsequent read-out step 82 a state of the memory device is read out.
  • a subsequent evaluation step 83 the state of the memory device is determined, for example, by an evaluation of a resonance frequency and thus determines the measurement result of the physical quantity to be monitored.
  • a subsequent end step 84 the method is ended.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung (1) mit einer Sensoreinheit (2) zum Bereitstellen einer definierten Spannung bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts einer physikalischen Größe, mit einer Speichereinrichtung (3) mit einem veränderlichen elektrischen Widerstand, wobei der Widerstand durch die von der Sensoreinheit (2) abgegebene definierte Spannung in vorgegebener Weise veränderbar ist, und mit einer Ausleseeinrichtung (5) zum Ermöglichen eines Auslesens eines Status der Speichereinrichtung (3).

Description

Beschreibung Titel
Sensoreinrichtung und Überwachungsverfahren Stand der Technik
Aus der CN 103373538 A ist bereits ein Überwachungssystem für zu
transportierende Güter bekannt. Das Überwachungssystem weist ein
Kontrollmodul, ein Überwachungsmodul, ein Datenübertragungsmodul, eine Speichereinheit und optional eine Alarmeinheit und eine Ortungseinheit auf. In die Überwachungseinheit sind ein Temperatur-, Feuchtigkeits-, Winkel- und Beschleunigungssensor integriert. Das Auswertemodul wertet die Ergebnisse der verschiedenen Sensoren aus und speichert die Informationen nichtflüchtig in der Speichereinheit, einem nicht flüchtigen ferroelektrischen Speicherchip. Zur Spannungsversorgung ist eine 1000 mAh Lithiumbatterie vorgesehen.
Aus der WO 2007/094948 AI ist ein piezoelektrischer Biegebalken bekannt, der bei Auslenkung mittels eines piezoelektrischen Effekts eine elektrische
Spannung erzeugt, die für eine Stromversorgung verwendet werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung Es ist eine Sensoreinrichtung mit einer Sensoreinheit zum Bereitstellen einer definierten Spannung bei einem Überschreiten eines vorgegebenen
Schwellwerts einer physikalischen Größe, mit einer Speichereinrichtung mit einem veränderlichen elektrischen Widerstand vorgesehen, wobei der
Widerstand durch die von der Sensoreinheit abgegebene definierte Spannung in vorgegebener Weise veränderbar ist und wobei die Sensoreinrichtung eine
Ausleseeinrichtung zum Ermöglichen eines Auslesens eines Status der
Speichereinrichtung aufweist.
Die Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass ein Sensor durch einen Einfluss einer physikalischen Größe bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes durch den Einfluss der physikalischen Größe eine elektrische Spannung erzeugt, die detektiert werden kann. Hierbei wird vorteilhafterweise die hierbei erzeugte elektrische Spannung dazu verwendet, einen elektrischen Widerstand einer Speichereinrichtung zu verändern, um anschließend ein Auslesen eines veränderten Status der
Speichereinrichtung abhängig von einem zuvor erfolgten Überschreiten des vorgegebenen Schwellwerts der physikalischen Größe zu ermöglichen. Damit kann auf eine zusätzliche Energieversorgung für die Durchführung des
Messvorgangs verzichtet werden, da die elektrische Energie zum Verändern des Status der Speichereinheit aus der Messung selbst gewonnen wird. Durch die
Speicherung des Ergebnisses der Messung ist es im Anschluss möglich, zu einem geeigneten Zeitpunkt den Status der Speichereinrichtung auszulesen. Für die Speicherung ist ebenfalls keine weitere, gesonderte externe Energiezufuhr erforderlich. Hierbei kann insbesondere davon profitiert werden, dass zu diesem Zeitpunkt für ein Auslesen des Status der Speichereinrichtung gegebenenfalls dann auch eine zusätzliche Energieversorgung zur Verfügung steht. Durch die Speicherung wird es auch ermöglicht, dass auch ein einmaliges Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes während einer langen Überwachungsdauer sicher detektiert werden kann, ohne dass für die gesamte Messdauer eine Energieversorgung bereitgestellt werden muss. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Status eines zu transportierenden Gutes für eine Transport- oder Lagerdauer überwacht werden soll, insbesondere da eine Auswertung auch zeitversetzt und damit lange nach Auftreten der Überschreitung des
vorgegebenen Schwellwerts erfolgen kann. Durch die Speicherung mittels einer Veränderung eines elektrischen Widerstandes ist zudem eine besonders einfache elektronische Auswertung einer Veränderung des Speicherzustands möglich.
Weitere Vorteile ergeben sich durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Weiterbildungen. So ist es vorteilhaft, dass die Sensoreinheit wenigstens einen Beschleunigungssensor aufweist. Hierdurch kann eine während des Messzeitraums auftretende Überschreitung eines vorgegebenen Beschleunigungswertes festgestellt werden. Somit kann beispielsweise festgestellt werden, dass die Sensoreinrichtung und damit diejenige Einrichtung, an der die Sensoreinrichtung angeordnet ist, über ein vorgegebenes Maß hinaus zu Boden gefallen ist. Somit kann eine Stoßbelastung der Sensoreinrichtung und damit eine Stoßbelastung einer Einrichtung, an der die Sensoreinrichtung angeordnet ist, festgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoreinheit wenigstens drei Beschleunigungssensoren auf, die jeweils in einer Raumrichtung eine
Beschleunigung erfassen. Die drei Raumrichtungen sind hierbei vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet, so dass eine Beschleunigung in jede Raumrichtung gemessen werden kann. Damit ist eine sichere Detektion eines Stoßes über ein vorgegebenes Maß hinaus in jede Raumrichtung messbar.
Weiterhin ist es vorteilhaft, einen Gleichrichter jeweils parallel zu dem oder den Beschleunigungssensoren zu schalten. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich elektrische Spannungen kompensieren können, die sich beispielsweise durch eine Beschleunigung in entgegengesetzte Richtungen ergeben, z.B. durch das Zurückschwingen des Biegebalkens über den Nullpunkt hinaus.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den oder die Beschleunigungssensoren als
Biegesensoren auszuführen, insbesondere als piezoelektrische Biegesensoren. Einerseits ermöglicht die Verwendung von piezoelektrischen Materialien eine Ausführung in Mikrosystembauweise, so dass die Sensoreinrichtung sehr klein dargestellt werden kann. Weiterhin führt eine Druckeinwirkung bzw. ein durch eine Erschütterung bzw. Beschleunigung hervorgerufene Stauchung oder Dehnung des piezoelektrischen Materials auf einfache Weise zu einer hinreichenden Spannungserzeugung, die unmittelbar für die Veränderung des elektrischen Widerstands der Speichereinrichtung verwendet werden kann. Durch die Anwendung des piezoelektrischen Effektes wird keine zusätzliche Stromversorgung des Sensors benötigt. Die für die Messung erforderlichen Ladungsträger werden durch die Beschleunigung erzeugt und müssen nur noch gespeichert werden. Somit ist eine Darstellung eines energieautarken
Schocksensors möglich.
Weiterhin ist es vorteilhaft, als Speichereinheit elektrische Halbleiterbauteile zu verwenden, wobei die durch die Sensoreinheit erzeugte elektrische Spannung bzw. Ladungsmenge zur Veränderung des elektrischen Widerstands des Halbleiterelements verwendet werden kann. Hierdurch wird es ermöglicht, das verhältnismäßig kleine Ladungsmengen dazu ausreichen, den elektrischen Widerstand eines derartigen Halbleiterbauelements wie beispielsweise eines FeFET messbar zu verändern. Ferner kann vorteilhaft auch ein Leiterelement verwendet werden, das bei einer definierten Stromstärke zerstört wird, ähnlich einer Sicherung. Hierdurch wird sichergestellt, dass nach der Zerstörung des Leiterelements auf sichere Weise eine Veränderung des Zustands detektiert werden kann.
Eine besonders einfache Auslesbarkeit wird dadurch erreicht, dass die
Speichereinrichtung ein Teil eines Schwingkreises ist. Durch eine Veränderung des elektrischen Widerstandes wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestehend aus einem Kondensator und dem veränderlichen Widerstand verändert. Die Änderung der Resonanzfrequenz kann auf einfache Weise detektiert werden.
Vorteilhaft ist die Speichereinheit direkt oder als Teil des Schwingkreises mit einer RFID-Einheit verbunden, so dass ein Auslesen des Schwingkreises und eine vorzugsweise kodierte Datenübertragung durch einen insbesondere passiven R Fl D-Übertrager erfolgen können. Hiermit wird es ermöglicht, auch beabstandet zu einer Sensoreinrichtung eine externe Ausleseeinheit zum Auslesen des Speicherzustands anzubringen. Ferner wird es auch ermöglicht, dass mehrere Sensoreinrichtungen in einem Raum, beispielsweise in einem Container oder in einem Fahrzeug nahezu gleichzeitig ausgelesen werden können.
Entsprechende Vorteile ergeben sich für ein erfindungsgemäßes
Überwachungsverfahren.
Vorteilhaft wird bei dem Auslesen zur Feststellung der veränderten
Resonanzfrequenz eine Wechselspannung induziert, um die Resonanzfrequenz zu bestimmen.
Bei der Verwendung eines FeFET, ReRAM oder eines Memristors kann zudem eine Wiederverwendung der Sensoreinrichtung ermöglicht werden. Entweder wird der aktuelle Widerstandswert im Anschluss als neuer Ausgangswert definiert. Oder es kann durch einen geeigneten elektromagnetischen Puls z. B. durch eine Induktion einer ausreichenden Spannung bzw. eines von außen angelegten Stroms der Widerstand auf einen Ausgangszustand zurückgesetzt werden. Bei der Verwendung eines EEPROMS ist es auch möglich, einen Sensorstatus durch UV-Strahlung zurückzusetzen.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein System mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung und einer externen Auswerteeinrichtung im Detail,
Figur 2 eine Verwendung mehrere erfindungsgemäßer Sensoreinrichtungen für die Überwachung von zu transportierenden Gütern, Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für einen piezoelektrischen Biege- Beschleunigungssensor in einer ersten Ansicht,
Figur 4 eine Darstellung des Biegesensors aus Figur 3 in einer
Schnittdarstellung,
Figur 5 und 6 ein Beispiel für eine Darstellung eines erfindungsgemäßen
piezoelektrischen Beschleunigungssensors,
Figur 7 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine elektrische Verschaltung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
Figur 8 ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel für eine Verschaltung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
Figur 9 ein Ausführungsbeispiel für einen Gleichrichter,
Figur 10 ein Ausführungsbeispiel für eine Speichereinrichtung einer
erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
Figur 11 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes
Überwachungsverfahren. Ausführungsformen der Erfindung
In der Figur 1 ist eine Sensoreinrichtung 1 dargestellt, die eine Sensoreinheit 2 aufweist. Die Sensoreinrichtung 1 kann in einem Raum unbeweglich angeordnet sein. Insbesondere ist aber eine Verwendung einer Sensoreinrichtung 1 vorteilhaft, die auf einem beweglichen Gut, zum Beispiel einem Paket, angeordnet ist. Ferner ist es auch möglich, die Sensoreinrichtung 1 verdeckt innerhalb des Pakets anzuordnen. Durch die Anordnung an einem beweglichen Gut ist es möglich, Zustände des beweglichen Gutes insbesondere während eines Transportvorgangs des beweglichen Gutes zu überwachen. Die Sensoreinheit 2 ist dafür ausgelegt, eine physikalische Größe zu messen und insbesondere bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes eine Spannung zu erzeugen, die von einer Speichereinrichtung 3 in der Weise erfasst wird, dass ein elektrischer Widerstand der Speichereinrichtung 3 verändert wird. Die Sensoreinheit 2 ist dabei in einer bevorzugten Weise als ein
Beschleunigungssensor ausgeführt, wobei eine elektrische Spannung erzeugt wird, deren Betrag mit der Größe einer einwirkenden Beschleunigung zunimmt. Hierzu ist die Sensoreinheit insbesondere ein piezoelektrisches Element aufweisend ausgeführt. Durch die Beschleunigung kommt es zu einer Stauchung oder Dehnung des piezoelektrischen Elements, so dass eine durch die
Stauchung oder Dehnung erzeugte elektrische Spannung abgegriffen und zu der Speichereinrichtung 3 geführt werden kann. In weiteren Ausführungen ist es aber auch möglich, dass die Sensoreinheit 2 als ein chemischer Sensor ausgeführt wird, der eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von Vorhandensein einer zu detektierenden chemischen Substanz abgibt, z. B. in Abhängigkeit von einem
Vorhandensein von Wasser bzw. Feuchtigkeit. Ferner ist es auch möglich, die Sensoreinheit 2 als ein thermoelektrisches Element auszuführen, das bei einer erfassten Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung abgibt. In den folgenden Ausführungsbeispielen ist die Erfindung am Beispiel eines
Beschleunigungssensors ausgeführt. Fällt ein Gegenstand aus einer Höhe von beispielsweise 1 Meter auf einen harten Untergrund, so führt dies zu einer erheblichen, auf den Gegenstand einwirkenden Beschleunigung, einen sogenannten Schock. Dieser erhöhte Beschleunigungswert kann mittels eines Beschleunigungssensors sicher detektiert werden, so dass bei Überschreiten eines vorgegebenen Beschleunigungswertes, der einen Fall aus einer vorgegebenen Höhe auf einen harten Untergrund, z. B. Beton, entspricht, z. B. 30 cm, festgestellt werden kann. Befindet sich in einem durch die
Sensoreinrichtung 1 überwachten Paket beispielsweise ein sensitiver
Gegenstand, der durch einen entsprechenden Schock möglicherweise in seiner
Funktionsweise beeinträchtigt wird, kann durch die Sensoreinrichtung eine solche Schockeinwirkung festgestellt werden. Abhängig von der erfassten Beschleunigungswirkung liegt dann eine Spannung an der Speichereinrichtung 3 ein. Die Speichereinrichtung 3 ist derart ausgeführt, dass durch die Spannung und durch die in Folge der Spannung übertragenen Ladungsträger es zu einer Widerstandsänderung der Speicheinrichtung 3 kommt. In einer ersten
Ausführungsform ist die Speicheinrichtung 3 hierzu als ein Halbleiterelement ausgeführt. Das Halbleiterelement kann beispielsweise als ein Resistive Random Access Memory (ReRAM), ein ferroelektrischer Feldeffekttransistor (FeFET), ein Memristor, ein EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory), ein M RAM (Magnetoresistive random-access memory) oder ein Flashspeicher ausgeführt sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Speicheinrichtung 3 auch einen sehr dünn ausgeführten Leiterbereich aufweisen, der in Folge des Spannungspulses bei einer ausreichenden Beschleunigung einen derartigen Strom erfährt, dass er sich erhitzt und in Folge der Erhitzung durch Verdampfen des Leitermaterials unterbrochen wird. Das zerstörbare Leiterelement ist dabei entsprechend einer elektrischen Sicherung ausgeführt. Auch ist ein Durchbruch eines ursprünglich nicht elektrisch leitfähigen Dielektrikums möglich, das sehr dünn zwischen zwei Elektroden ausgelegt ist. Bei Überschreitung einer bestimmten Spannung, der Durchbruchsspannung, bei einer ausreichenden
Beschleunigung wird ein elektrisch leitender Pfad durch das Dielektrikum dauerhaft erzeugt.
In dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Speicheinrichtung 3 zusammen mit einem Kondensator 4 Teil eines Schwingkreises 5. Durch die
Widerstandsänderung ändert sich die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 5. Im Fall eines unterbrochenen Leiterelements als Teil der Speicheinrichtung 3 ist es in einer in der Figur 1 nicht gezeigten Ausführungsform auch möglich, einen weiteren, insbesondere hochohmigen Widerstand parallel zu der
Speicheinrichtung 3 zu schalten, so dass die Funktionsweise eines
Schwingkreises weiterhin ermöglicht wird. Ein Auslesen des Schwingkreises erfolgt mittels einer Ausleseeinheit 6, die eine Leiterschleife 7 aufweist, die in die Nähe eines Leiterschleifenbereichs 8 gebracht wird, der Teil des Schwingkreises ist. Eine Ausleseeinheit 9 stellt die Resonanzfrequenz fest und vergleicht die gemessene Resonanzfrequenz mit einer in einer Speichereinheit 11 abgelegten
Resonanzfrequenz der Ausleseeinheit. Abhängig von der gemessenen
Resonanzfrequenz wird entweder festgestellt, dass ein vorgegebener
Schwellwert nicht überschritten wurde oder dass ein vorgegebener Schwellwert überschritten wurde. In einer weiteren Ausführungsform können auch mehrere Schwellwerte vorgegeben werden. In einer ersten Ausführungsform kann über eine Funkschnittstelle 10 das Messergebnis an eine externe Einheit, die in der Figur 1 nicht dargestellt ist, übertragen werden. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, das Messergebnis an eine Ausgabeeinheit 12 zu übertragen, wobei das
Messergebnis in einer Anzeige 13 dargestellt wird. Über eine Eingabeeinheit 14 ist es möglich, verschiedene Messungen zu steuern. In einer weiteren
Ausführungsform ist es auch möglich, dass über die Eingabeeinheit 14 die Ausleseeinheit 9 dazu angesteuert wird, ein starkes Spannungssignal zu induzieren, das einen elektrischen Widerstand der Speicheinrichtung 3 zurücksetzt, so dass die Sensoreinrichtung 1 für eine neue Messung verwendet werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die
Sensoreinrichtung 1 eine RFID-Einheit 15 aufweist, die insbesondere passiv betrieben wird. In diesem Fall ist die Ausleseeinheit 9 derart ausgeführt, dass ein Auswertesignal ausgestrahlt wird, das die RFID-Einheit 15 zu einer Abfrage der Speicheinrichtung 3 oder des Schwingkreises 5 anregt. Eine Änderung der des Widerstands der Speichereinheit bzw. der Resonanzfrequenz des
Schwingkreises 5 wird in diesem Fall durch die RFID-Einheit 15 festgestellt und kann dann von der RFID-Einheit 15 an die Ausleseeinheit 9 übertragen werden.
In der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem mehrere Güter 21, 22 beispielsweise in einem Lagerraum oder Ladevolumen angeordnet sind. Das erste Gut 21 weist eine an dem ersten Gut 21 angeordnete Sensoreinrichtung 23 auf. Das zweite Gut 22 weist eine an dem zweiten Gut 22 angeordnete zweite Sensoreinrichtung 24 auf. Eine Ausleseeinheit 25 ist dazu vorgesehen insbesondere durch ein Abfragen verschiedener RFID-Einheiten ein
Messergebnis auszulesen. Die erste und die zweite Sensoreinrichtung 23, 24 sind gemäß der zweiten Ausführungsform mit einer RFID-Einheit 15 gemäß der
Figur 1 ausgeführt. Durch die Ausleseeinheit 25 ist es damit möglich, die mehreren Güter, die innerhalb des Ladevolumens angeordnet sind, nahezu zeitgleich zu überwachen und entsprechende Sensorinformationen über den Zustand der Güter auszulesen, insbesondere hinsichtlich einer Schockeinwirkung auf die Güter. In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Beschleunigungssensor in Mikrosystemtechnik oder als Bulk ausgeführt werden. Bei der Ausführung in Mikrosystemtechnik ist das piezoelektrische Element in Dünnschichtform ausgeführt. Bei einer geeigneten Wahl des Piezoelektrikums kann dieses sowohl als piezoelektrisches Element für die Sensoreinheit einerseits, aber auch als Speicherschicht verwendet werden, z. B. bei der Verwendung ferroelektrischer Materialien, wie beispielsweise PZT oder BFO. Damit kann die Speichereinheit und die Sensoreinheit auf einem Wafer bzw. einem Chip angeordnet werden.
In der Figur 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Sensoreinheit zum Messen einer mechanischen Beschleunigung dargestellt. Ein Balken 30 aus einem piezoelektrischen Material ist an einem Substrat 31 angeordnet. Als piezoelektrisches Material kann beispielsweise Bleizirkontitanat (PZT; PbZrx, TL- x03), KNN (KxNai-xNb03), NBT (NaxBii-xTi03), AIN, ScxAli-xN, PMN-PT (1- x[Pb(MgyNbi-y)03]-x[PbTi03]) oder BFO (BiFe03) verwendet werden. Das PZT- Material ist hierbei bevorzugt, da die piezoelektrischen Eigenschaften besonders ausgeprägt vorhanden sind und somit hinreichend hohe Spannungen leicht erzeugt werden können. An dem dem Substrat abgewandten Ende des piezoelektrischen Balkens 30 ist ein Masseelement 32, beispielsweise aus einem Siliziummaterial, angeordnet.
In der Figur 4 ist ein Schnitt durch den Balken 30 entlang der gestrichelten Linie 33 in der Figur 3 dargestellt. Auf einer ersten Seite des Balkens 30 sind eine erste Elektrode 41 und eine zweite Elektrode 42 angeordnet. Auf einer der ersten Seite 40 gegenüberliegenden zweiten Seite 39 sind eine dritte Elektrode 43 und eine vierte Elektrode 44 angeordnet. Bei einer Auslenkung der Masse 32 beispielsweise bei einer Aufsicht auf die Figur 3 nach rechts in einer Richtung 34 kommt es zu einer Stauchung der zweiten Elektrode 42 und zu einer Dehnung der ersten Elektrode 41. In entsprechender Weise werden auch die auf der zweiten Seite 39 angeordneten Elektroden 43 und 44 gestaucht bzw. gedehnt. Die sich durch den entgegengesetzten Piezoeffekt durch Stauchung und
Dehnung ergebene Spannungsdifferenz kann abgegriffen und als Messsignal für eine Beschleunigung zu einer Speichereinrichtung geführt werden. Anstelle eines Biegebalkens können auch andere schwingende Systeme realisiert werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch die Erfindung am Beispiel eines Biegebalkens dargestellt.
In den Figuren 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Darstellung eines mikromechanischen Beschleunigungssensors mit einem Piezomaterial dargestellt. Zunächst wird eine Substratstruktur 50 gemäß der Figur 5 erzeugt. Unterhalb einer oberen Elektrodenschicht 51 wird eine piezoelektrische Schicht 52 aus einem piezoelektrischen Material, beispielsweise PZT, angeordnet.
Unterhalb dieser Schicht befindet sich eine untere Elektrodenschicht 53, die auf einer Siliziumschicht 54 angeordnet ist. Diese ist wiederum auf einer
Ätzstopschicht 55, insbesondere aus einem Oxid angeordnet. Diese befindet sich wiederum auf einer Waferstruktur 56. Durch die Anordnung der Ätzstopschicht 55 und durch die vorgegebenen Dicken der Siliziumschichten sind eine definierte Biegebalkendicke und damit eine vorgegebene Resonanzfrequenz des Sensors möglich, so dass eine Anpassung des Sensors an verschiedene, zu erfassende Beschleunigungswerte möglich ist. Eine Darstellung kann nun derart erfolgen, dass zunächst die untere Elektrode 53, die beispielsweise aus Platin oder Titan besteht, gesputtert wird und darauf die piezoelektrische Schicht 52 abgeschieden wird. Hierauf wird wiederum die obere Elektrode aufgesputtert, beispielsweise aus Platin oder Gold. Anschließend werden die Elektroden und die
piezoelektrische Schicht beispielsweise mittels lonenstrahlätzen strukturiert, wobei ein Messbereich 57 gemäß der Figur 6 freigestellt wird. Auch die
Siliziumschichten 54, 56 werden nun beidseitig insbesondere durch Trenchen strukturiert. Hierbei wird die Oxidschicht (Buried Oxide (BOX)) als Ätzstopschicht verwendet, wobei die Ätzstopschicht 55 an der Unterseite geöffnet wird, so dass ein Balken 58 freigestellt wird. Durch eine Krafteinwirkung in Pfeilrichtung 59 kommt es nunmehr zu einer Schwingung des Balkens 58, die wiederum zu einer Verformung des piezoelektrischen Bereichs 52 führt, wobei eine Spannung über die Elektroden 51, 53 abgegriffen werden kann.
In der Figur 7 ist eine erste Schaltungsanordnung dargestellt, bei der eine erste, zweite und dritte Sensoreinrichtung 61, 62, 63 mit einer Speichereinrichtung 64 in Reihe geschaltet sind. Jeweils parallel zu den Sensoreinrichtungen 61, 62, 63 ist jeweils ein Gleichrichter 65, 66, 67 geschaltet. In einer ersten Ausführungsform können die Sensoreinrichtungen alle derart angeordnet sein, dass sie eine Beschleunigung in eine Raumrichtung messen. In einer bevorzugten
Ausführungsform sind die Beschleunigungsrichtungen der Sensoreinrichtung 61, 62, 63 aber möglichst orthogonal zueinander im Raum derart angeordnet, dass eine Beschleunigung in alle drei Raumrichtungen messbar ist. Durch die
Serienschaltung der Sensoreinrichtungen 61, 62, 63 addieren sich hierbei die erzeugten Spannungen, so dass an der Speichereinrichtung 64 eine
entsprechend erhöhte Spannung für eine Änderung des elektrischen
Widerstands der Speichereinrichtung 64 zur Verfügung steht. Um zu vermeiden, dass sich hierbei positive und negative Spannungen, die sich durch
Beschleunigung ergeben, gegebenenfalls gegeneinander aufheben könnten, sind bevorzugt, jeweils parallel zu den Sensoreinrichtungen 61, 62, 63 die
Gleichrichter 65, 66, 67 angeordnet. In einer ersten Ausführungsform sind die Gleichrichter dabei jeweils als Dioden geschaltet, wobei alle Dioden in die gleiche Richtung in dem Stromkreis geschaltet sind. In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, dass die Gleichrichter in Form einer Gleichrichterschaltung mit vier Dioden gemäß der Figur 9 ausgeführt sind, die in einem Ring 69 hintereinandergeschaltet sind, wobei zwischen jeweils zwei Dioden ein
Anschluss vorhanden ist. Die beiden Anschlüsse des Sensors 68 sind mit einem ersten und dritten Anschluss des Rings 69 verbunden. Die beiden weiteren
Anschlüsse sind mit den Eingängen einer Speichereinrichtung bzw. einem nachfolgenden oder vorhergehenden Element verbunden.
In einer alternativen Ausführungsform können die einzelnen Sensoreinrichtungen 61', 62', 63' auch parallel zueinander an dem Eingang einer Speichereinrichtung
64' angeschlossen sein. Ferner ist es auch möglich, dass für jede
Sensoreinrichtung eine eigene Speichereinrichtung vorgesehen ist.
In der Figur 10 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Speichereinrichtung am Beispiel eines ferroelektrischen Feldeffekttransistors 70 dargestellt. Das Gate des ferroelektrischen Feldeffekttransistors 70 ist mit einem Eingang 71 verbunden, über den eine von der Sensoreinrichtung abgegebene Spannung angelegt wird. Diese Spannung wirkt auf den ferroelektrischen Bereich 72 des FeFET 70 ein. Der von der Sensoreinrichtung abgegebene Spannungspuls verändert den Widerstand eines Kanalbereichs 73 des FeFET 70. Zwischen einem ersten Anschluss 74 und einem zweiten Anschluss 75 an Drain und Source des FeFET 70 ändert sich damit ein elektrischer Widerstand abhängig von der an über den Eingang 71 auf das Gate einfließenden Ladungsmenge, die von der Sensoreinheit an den FeFET 70 ausgegeben wird. Treten mehrere, erhöhte Beschleunigungen nacheinander auf, so ist es auch möglich, eine akkumulierte Beschleunigung und damit eine akkumulierte Stoßbelastung aufzuzeichnen. Durch eine Wahl einer Geometrie eines Beschleunigungssensors kann eine Resonanzfrequenz und damit eine Sensitivität für eine gewünschte mechanische Beschleunigung eingestellt werden, so dass ein Beschleunigungsund damit ein Schock-Schwellwert realisiert werden kann.
In der folgenden Tabelle sind Beispiele für eine Auslegung eines
Beschleunigungssensors mit einem Silizium-Biegebalken mit Silizium-Masse am Ende des Biegebalkens mit möglichen Resonanzfrequenzen für entsprechende Beschleunigungen angegeben.
Figure imgf000015_0001
Hierbei bezeichnet ,,a(gr)" einen zu detektierenden Beschleunigungs-Grenzwert und die Größe [g] bezeichnet die Erdbeschleunigung mi lg = 9,81 m/s2
Bei einem Ausführungsbeispiel der Speichereinrichtung mit einer Struktur, bei der bei Überschreiten eines vorgegebenen Werts ein Durchbrennen einer Leiterbahnverbindung erfolgt, ist beispielsweise ähnlich einem
Plattenkondensator aufgebaut. Das hierbei verwendete Dielektrikum hat eine bekannte Durchbruchfeldstärke. Ein Überschreiten einer Beschleunigung führt bei einer Einwirkung einer ausreichenden Beschleunigung auf das
piezoelektrische Material zu einer Überschreitung der Durchbruchfeldstärke, wodurch ein leitfähiger Pfad durch den Kondensator entsteht. Vorteilhaft ist eine Zustandsänderung eines derartigen Sensors nicht zurücksetzbar und damit nicht manipulierbar. Ferner ist es auch möglich, auf einfache Weise parallel mehrere Speichereinrichtungen vorzusehen, die unterschiedliche
Durchbruchsspannungen aufweisen, so dass mehrere Schwellwerte auf einfache Weise durch die mehreren, unterschiedlichen Speicherelemente realisiert werden können. Über ein parallel geschaltetes Array z. B. mit variabler Dicke des Dielektrikums oder mit verschiedenen Materialien können eine Vielzahl von Schwellwerten gleichzeitig realisiert, eine Überschreitung ggf. gemessen und gespeichert und anschließend abgefragt werden.
Bei einer Ausführung als elektrische Sicherung kann Siliziumoxid verwendet werden. Bei Siliziumoxid erfolgt ein Durchbruch ab einer elektrischen Feldstärke von etwa 10 MV/cm. Eine Speicherzelle bestehenden aus einer
Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von 3 nm bildet bei einer Spannung von 3 V einen leitfähigen Pfad über Durchbruch aus. Die lateralen Abmessungen der Kondensatorstruktur werden im einfachsten Fall so gewählt, dass die Kapazität vernachlässigbar klein gegenüber der Ausgangskapazität des
Beschleunigungssensors ist. Sinnvoll sind beispielsweise quadratische
Kondensatorstrukturen mit einer Seitenlänge im Bereich 1 - 5 μηη.
In der Figur 11 ist ein Beispiel für ein erfindungsgemäßes
Überwachungsverfahren dargestellt. In einem Startschritt 80 wird eine
Sensoreinrichtung an einem zu überwachenden Paket oder Gut angeordnet. In einem anschließenden Messschritt 81 überwacht die Sensoreinrichtung die zu überwachende physikalische Größe. In einem anschließenden Ausleseschritt 82 wird ein Zustand der Speichereinrichtung ausgelesen. In einem anschließenden Auswerteschritt 83 wird der Zustand der Speichereinrichtung beispielsweise durch eine Auswertung einer Resonanzfrequenz bestimmt und damit das Messergebnis der zu überwachenden physikalischen Größe ermittelt. In einem anschließenden Endschritt 84 wird das Verfahren beendet.

Claims

Ansprüche
1. Sensoreinrichtung (1) mit einer Sensoreinheit (2) zum Bereitstellen einer definierten Spannung bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts einer physikalischen Größe, mit einer Speichereinrichtung (3) mit einem veränderlichen elektrischen Widerstand, wobei der
Widerstand durch die von der Sensoreinheit (2) abgegebene Spannung in vorgegebener Weise veränderbar ist, und mit einer Ausleseeinrichtung (5) zum Ermöglichen eines Auslesens eines Status der Speichereinrichtung (3).
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (2) wenigstens einen Beschleunigungssensor (32, 50) aufweist.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (2) wenigstens drei Beschleunigungssensoren (61, 62, 63) aufweist, deren lineare Detektionsrichtungen jeweils orthogonal zueinander angeordnet sind.
4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Gleichrichter (65, 66, 66) jeweils parallel zu dem oder den Beschleunigungssensoren (61, 62, 63) geschaltet ist.
5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch
gekennzeichnet, dass der oder die Beschleunigungssensoren (32, 50) als Biegesensoren ausgeführt sind.
6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegesensoren ein piezoelektrisches Material aufweisen. Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (3) als ein
Hableiterelement, insbesondere ein FeFET, ein ReRam, ein Memristor, ein EEPROM, ein MRAM oder ein Flash Speicher, oder als ein definiert zerstörbares Leiterelement oder Isolatorelement ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (3) ein Teil eines
Schwingkreises (3, 4, 5) ist, der die Ausleseeinrichtung bildet.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinrichtung oder der Schwingkreis mit einer RFID-Einheit (15) verbunden ist.
Überwachungsverfahren, wobei eine Sensoreinheit (2) eine definierte Spannung bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts einer physikalischen Größe bereitstellt, wobei ein elektrischer Widerstand einer Speichereinrichtung (3) durch die von der Sensoreinheit (2) abgegebene definierte Spannung in vorgegebener Weise verändert wird, und wobei eine Ausleseeinheit (9) ein Auslesen eines Status der Speichereinrichtung (3) ermöglicht.
Überwachungsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einen Schwingkreis (3, 4, 5), in dem die Speichereinrichtung (3) angeordnet wird eine Wechselspannung zum Ermitteln der
Resonanzfrequenz induziert wird.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019114130A1 (de) * 2019-05-27 2020-12-03 Christian-Albrechts-Universität Zu Kiel Elektrisches Bauelement und Verfahren zur Sensierung einer mechanischen Verformung

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007094948A1 (en) 2006-02-14 2007-08-23 Robert Bosch Gmbh Injection molded energy harvesting device
US20090257268A1 (en) * 2008-03-17 2009-10-15 Elpida Memory, Inc. Semiconductor device having single-ended sensing amplifier
WO2013065493A1 (ja) * 2011-11-04 2013-05-10 株式会社村田製作所 衝撃検知・記録装置
CN103373538A (zh) 2012-04-12 2013-10-30 北京理工大学 运输包装箱智能监测微系统
US20140346619A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 International Business Machines Corporation Detecting sudden changes in acceleration in semiconductor device or semiconductor packaging containing semiconductor device
US20150241464A1 (en) * 2014-02-25 2015-08-27 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Shock recording device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007094948A1 (en) 2006-02-14 2007-08-23 Robert Bosch Gmbh Injection molded energy harvesting device
US20090257268A1 (en) * 2008-03-17 2009-10-15 Elpida Memory, Inc. Semiconductor device having single-ended sensing amplifier
WO2013065493A1 (ja) * 2011-11-04 2013-05-10 株式会社村田製作所 衝撃検知・記録装置
CN103373538A (zh) 2012-04-12 2013-10-30 北京理工大学 运输包装箱智能监测微系统
US20140346619A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 International Business Machines Corporation Detecting sudden changes in acceleration in semiconductor device or semiconductor packaging containing semiconductor device
US20150241464A1 (en) * 2014-02-25 2015-08-27 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Shock recording device

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