DE10038509A1 - Beschleunigungsschalter - Google Patents

Abstract

Es wird ein Beschleunigungsschalter mit einem mikromechanischen Element (1) vorgeschlagen, welches in Abhängigkeit von einer Beschleunigung aus einer Ruhelage ausgelenkt wird. In Abhängigkeit von der Auslenkung wird eine analoge Meßgröße (2) gewonnen, die durch weitere Schaltelemente (21 bis 25) verarbeitet wird. Die weiteren Schaltelemente erzeugen ein digitales Signal, wenn die Meßgröße (2) einen vorgegebenen Wert überschreitet.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Beschleunigungsschalter nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der US 5 415 043 sind bereits Beschleunigungsschalter bekannt, die als rein mechanische Elemente ausgebildet sind. Dabei wird beim Überschreiten eines vorgegebenen Beschleunigungswerts ein elektrischer Kontakt geschlossen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Beschleunigungsschalter mit den Merkmalen das unabhängigen Patentanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass der Beschleunigungsschalter besonders einfach durch ein mikromechanisches Element realisiert wird, welches eine analoge Meßgröße liefert, die dann von besonders einfachen Schaltungsteilen ausgewertet werden. Es wird so mit einfachen Mitteln ein digital schaltender Beschleunigungsschalter realisiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche. Mit einfachen Schaltungsmitteln kann ein Schalter mit einer Hysterese realisiert werden, was rein mechanisch nur sehr schwer realisierbar ist. Weiterhin kann der Schalter so ausgestaltet werden, dass eine bestimmte Mindestzeitdauer des digitalen Signals sichergestellt ist. Erfindungsgemäß werden dabei nur sehr einfache elektrische Schaltungselemente verwendet.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein mikromechanisches Element mit einem nachgeordneten analogen Schaltungsteil,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungsschalters und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschleunigungsschalters.

Beschreibung

In der Fig. 1 wird ein mikromechanisches Element 1 und eine Auswerteschaltung 2 gezeigt. Das mikromechanische Element 1 ist als oberflächenmikromechanische Struktur ausgebildet, die auf einem in der Fig. 1 nicht dargestellten Substrat mittels Verankerungsbereichen 3 verankert ist. An Verankerungspunkten 3 sind Biegefedern 4 aufgehängt, die eine seismische Masse 5 tragen. An der seismischen Masse 5 sind wiederum bewegliche Elektroden 6 befestigt. Die Biegefedern 4, die seismische Masse 5 und die beweglichen Elektroden 6 sind mechanisch mit dem nicht dargestellten Substrat nur über die Verankerungsbereiche 3 verbunden. Dabei sind die Biegefedern 4 mechanisch derart ausgebildet, dass durch eine Beschleunigung in der Achse 11 eine Verschiebung des mikromechanischen Elements relativ zum Substrat erfolgt, d. h. die Biegefedern 4, die seismische Masse 5 und die beweglichen Elektroden 6 werden in der Achse 11 relativ zum Substrat ausgelenkt. Gegenüber den beweglichen Elektroden 6 sind feststehende Elektroden 7 angeordnet, die ebenfalls durch Verankerungsbereiche 3 auf dem Substrat verankert sind. Da die feststehenden Elektroden 7 vergleichsweise starr sind, werden sie bei einer Beschleunigung in der Achse 11 nur vernachlässigbar gering relativ zum Substrat ausgelenkt.

Derartige mikromechanische Strukturen 1 werden bereits als oberflächenmikromechanische Beschleunigungssensoren verwendet, wobei durch eine Messung der Kapazität zwischen den feststehenden Elektroden 7 und den beweglichen Elektroden 6 die Auslenkung der beweglichen Strukturen relativ zum Substrat gemessen wird.

In der Fig. 1 sind ebenfalls elektrische Leiterbahnen 8 gezeigt, die das mikromechanische Element 1 mit einer Auswerteschaltung 2 verbinden. Durch die Leiterbahnen 2 ist elektrisch zum einen die seismische Masse 5 und die daran befestigten beweglichen Elektroden 6 elektrisch kontaktiert. Weiterhin wird durch eine Leiterbahn 8 eine erste Gruppe von feststehenden Elektroden 7 und eine zweite Gruppe von feststehenden Elektroden 7 kontaktiert. Die feststehenden Elektroden 7 sind dabei in Gruppen so angeordnet, dass bei einer Bewegung der beweglichen Elektroden 6 sich der Abstand der beweglichen Elektroden 6 zu einer ersten Gruppe von feststehenden Elektroden 7 verringert und gleichzeitig der Abstand zu der anderen Gruppe von feststehenden Elektroden 7 erhöht. Die beiden Gruppen von feststehenden Elektroden 7 werden durch unterschiedliche Leiterbahnen kontaktiert. Es ist so möglich, eine Differenzkondensatoranordnung zu schaffen, d. h. in der Schaltung 2 werden die elektrischen Kapazitäten der beiden Gruppen von feststehenden Elektroden 7 relativ zu den beweglichen Elektroden 6 betrachtet und voneinander abgezogen. Das Differenzsignal ist dann ein Maß für die Beschleunigung in der Achse 11. Der in der Fig. 1 gezeigte Aufbau zur Messung einer Beschleunigung in der Achse 11 ist bereits für Beschleunigungssensoren bekannt, die dann als Ausgangssignal ein Signal liefern, welches ein Maß für die Beschleunigung ist.

Erfindungsgemäß wird nun eine Nachverarbeitung dieses Signals vorgesehen, welches beispielsweise in der Fig. 2 erläutert wird. In der Fig. 2 wird das Ausgangssignal der Schaltung 2 weiteren Schaltungskomponenten zugeführt. Als Ausgangssignal weist die Schaltung 2 ein analoges Signal auf, dessen Spannungspegel proportional zur Beschleunigung ist. Dieses beschleunigungsproportionale Signal wird einem ersten Komparator 21 und einem zweiten Komparator 22 zugeführt. Jeder der Komparatoren weist noch einen zweiten Eingang 23 und 24 auf, an dem ein Referenzsignal anliegt. Die Komparatoren 21 und 22 vergleichen das Ausgangssignal der Schaltung 2 mit unterschiedlichen Referenzsignalen, die an den Eingängen 23 und 24 anliegen. Das Referenzsignal am Eingang 23 ist beispielsweise so gewählt, dass es einer Beschleunigung von 1 g entspricht. Das Referenzsignal am Eingang 24 ist beispielsweise so gewählt, dass es einem Beschleunigungssignal von 2 g entspricht. Immer dann, wenn das Ausgangssignal der Schaltung 2 den Wert der Referenzsignale 23 und 24 übersteigt, geben die Komparatoren 21 und 22 ein digitales Ausgangssignal ab. Dieses digitale Ausgangssignal wird an einer nachgeordneten Logikschaltung 25 weiter verarbeitet, um eine Hysterese zu realisieren. Ausgehend von einem Signalpegel, bei dem keine Beschleunigung entlang der Achse 11 anliegt, liefert die Schaltung 25 erst dann ein digitales Ausgangssignal, wenn sowohl der Komparator 21 wie auch der Komparator 22 ein Eingangssignal zur Verfügung steht. D. h. das Ausgangssignal der Schaltung 25 geht erst dann auf einen vorgegebenen Signalpegel, wenn die Beschleunigung einen Wert von zwei 2 g übersteigt. Ausgehend von diesem Zustand behält die Schaltung 25 den hohen Ausgangspegel 2, auch wenn der Komparator 21 kein Signal mehr zur Verfügung stellt, aber noch ein Signal vom Komparator 22 anlegt, d. h. die logische Schaltung 25 behält ihren Ausgangspegel, wenn die Beschleunigung von einem Wert über 2 g auf einem Wert zwischen 1 und 2 g zurückgeht. Erst wenn dann sowohl der Komparator 21 wie auch der Komparator 22 kein Signal mehr zur Verfügung stellen (d. h. wenn die Beschleunigung unter 1 g abgesunken ist) reagiert auch die logische Schaltung 25, indem sie ihren Ausgangspegel wieder auf 0 verringert. Es wird so ein Beschleunigungsschalter mit einer Hysterese realisiert, der erst dann ein digitales Ausgangssignal liefert, wenn die Beschleunigung einen vorgegebenen Wert überschreitet und diesen digitalen Ausgangswert solange beibehält bis die Beschleunigung unter einen zweiten geringeren Wert wieder abgesunken ist. Durch das Zusammenspiel zwischen dem mikromechanischen Element 2 und nachgelagerten elektrischen Schaltelementen wird somit ein Beschleunigungsschalter mit genau definierten Eigenschaften realisiert. Da die Auswertung des mikromechanischen Elements 1 nur durch einfache Schaltungsmittel wie Komparatoren bzw. logischen Schaltelementen erfolgt, lässt sich der Beschleunigungsschalter mit besonders einfachen Mitteln aufbauen, insbesondere ist hier kein Mikroprozessor zur Auswertung der an dem mikromechanischen Element 1 erzeugten Beschleunigungssignale erforderlich. Der Beschleunigungsschalter kann daher sehr einfach mittels eines mikromechanischen Elements 1 und nachgeordneter einfacher Schaltlogik aufgebaut werden.

In der Fig. 3 wird ein weiteres Beispiel für einen erfindungsgemäßen Beschleunigungsschalter gezeigt. Der Auswerteschaltung 2 ist dabei ein Filterelement nachgeordnet, mit dem eine Filterung des Signals der Ausgangsschaltung 2 bewirkt wird. Das Filterelement 31 kann insbesondere als einfacher RC-Filter aufgebaut sein, wobei kurzzeitige Beschleunigungsimpulse ausgefiltert werden. Es können so kurze Belastungsstöße mit besonders einfachen Mitteln herausgefiltert werden. Dem Filter 31 ist wiederum ein Komparator 32 nachgeordnet, der weiterhin einen Vergleichseingang 34 aufweist. Durch diesen Komparator 32 wird hier wiederum das Signal daraufhin untersucht, ob es einen vorgegebenen Beschleunigungswert überschreitet. Wenn das Beschleunigungssignal einen vorgegebenen Beschleunigungswert überschreitet, so wird der Komparator 32 ein, digitales Signal an seinem Ausgang ausgeben. Dem Komparator 32 ist hier ein Zeitglied 35 nachgeordnet, welches bei einem einmaligen Signale an seinem Eingang für eine vorgegebene Zeit ein Ausgangssignal abgibt.

Durch den Filter 31 wird erreicht, dass sehr kurzzeitige Stöße nicht zu einem Signal am Ausgang des Komparators 32 führen. Es wird so ein fehlerhaftes Signal beim Auftreten von nur ganz kurzzeitigen Beschleunigungsspitzen vermieden. Durch die Verwendung des Zeitglieds 35 wird sichergestellt, dass beim Auftreten einer Beschleunigung für eine ausreichend lange Zeit am Ausgang der gesamten Schaltung ein Signal anliegt. Wiederum handelt es sich hier um besonders einfache Auswertemittel, d. h. das analoge Ausgangssignal der Schaltung 2 wird durch besonders einfache Schältungsmittel weiter untersucht. Insbesondere können so kurzzeitige Beschleunigungsimpulse vernachlässigt werden oder aber es kann sichergestellt werden, dass beim Überschreiten einer Schaltschwelle ausreichend lang ein Ausgangssignal anliegt. Auch in der Fig. 3 wird somit ein Beschleunigungsschalter realisiert, der definierte Eigenschaften aufweist.

Die Beschleunigungsschalter, wie sie in den Fig. 2 und 3 beschrieben sind, sind insbesondere in sicherheitsrelevanten Systemen, beispielsweise einem Airbagauslösesystem zu verwenden. Die Beschleunigungssensoren werden dabei zusätzlich zu Komponenten eingesetzt, die darüber entscheiden, ob der Airbag ausgelöst werden soll oder nicht. Da derartige Systeme relativ komplex sind, ist es wünschenswert, eine zusätzliche Absicherung durch ein möglichst einfaches System zu haben, welches aufgrund seiner Einfachheit möglichst störunempfindlich ist. Ein derartiges zusätzliches Sicherheitsmittel wird durch die erfindungsgemäßen Beschleunigungsschalter zur Verfügung gestellt, da das mikromechanische Element 1 und die nachgeordneten Schaltmittel besonders einfach aufgebaut sind. Der mikromechanische Schalter wird dann als zusätzliches Kontrollinstrument neben den herkömmlichen Mitteln zur Auslösung eines Airbags eingesetzt.

Weiterhin ist anzumerken, dass die Beschleunigungsschalter für Messungen in beide Richtungen der Achse 11 verwendbar sind. In den Fig. 2 und 3 wird jeweils nur die Schaltelemente für die Messung in eine Richtung der Achse 11 gezeigt. Um die Erfindung für beide Richtungen der Achse 11 einzusetzen werden die Schaltungen der Fig. 2 und 3 jeweils für jede Richtung der Achse 11 vorgesehen. Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung 2 wird entsprechend dann noch einmal als invertiertes Signal zur Verfügung gestellt. Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung 2 und das invertierte Signal werden dann jeweils eigenen weiterverarbeitenden Schaltungen wie sie in den Fig. 2 und 3 gezeigt werden zugeführt. Es können so auch unterschiedliche Schaltungseigenschaften für die beiden Richtungen realisiert werden.

Claims (4)

1. Beschleunigungsschalter mit einem mikromechanischen Element (1), welches in Abhängigkeit von einer Beschleunigung aus einer Ruhelage ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Abhängigkeit von der Auslenkung eine analoge Meßgröße (2) des mikromechanischen Elements ändert, und dass dem mikromechanischen Element (1) Schaltelemente (21 bis 25, 31 bis 35) nachgeordnet sind, die beim Überschreiten eines vorgegebenen Werts der Meßgröße (2) ein digitales Signal erzeugen.

2. Beschleunigungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Schaltelemente (21 bis 25) das digitale Signal mit einer Hysterese bezüglich der Beschleunigung geschaltet wird.

3. Beschleunigungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Komparator (21) und ein zweiter Komparator (22) vorgesehen sind, dass der erste Komparator einen ersten Vergleichswert (23) und der zweite Komparator (22) einen zweiten Vergleichswert (24) mit der Meßgröße (2) vergleicht, dass bei einem Überschreiten der analogen Meßgröße (2) über die Vergleichswerte (23, 24) der erste Komparator (21) und der zweite Komparator (22) ein digitales Signal erzeugen, das einer Schaltlogik (25) zugeführt wird.

4. Beschleunigungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmittel ein Zeitglied (35) aufweisen, durch das sichergestellt wird, dass das digitale Signal für eine vorgegebene Mindestzeit aufrecht erhalten wird.