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