DE3939410A1

DE3939410A1 - Sensor

Info

Publication number: DE3939410A1
Application number: DE3939410A
Authority: DE
Inventors: Botho Dipl Phys Dr Ziegenbein; Ulrich Dipl Ing Kippelt; Uwe Foell
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-11-29
Filing date: 1989-11-29
Publication date: 1991-06-06
Also published as: DE59007164D1; EP0501979A1; WO1991008492A1; JPH05501606A; EP0501979B1; US5351539A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Sensor nach der Gattung des Haupt anspruchs.

Aus der WO 87/05 569 ist bereits ein Sensor dieser Art bekannt, bei dem zur Erfassung der Beschleunigung und der Neigung eines Kraft fahrzeuges ein auf der Brechung oder Reflexion beruhendes optisches Verfahren verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird ein von einem Sender ausgehender Lichtstrahl an der Trennfläche Flüssigkeit/Gas blase gebrochen oder reflektiert und trifft auf einen Empfänger, wenn die in dem Gehäuse enthaltene Gasblase sich in ihrer Ausgangs lage befindet. Wird die Gasblase dagegen infolge einer Beschleuni gung oder einer Neigung des Kraftfahrzeuges von ihrer Ausgangslage ausgelenkt, so wird der Lichtstrahl an der Trennfläche Flüssigkeit/Gas blase in eine andere Richtung gebrochen oder reflektiert und trifft nicht mehr auf den Empfänger, so daß von der optischen Ein richtung ein Signal ausgelöst wird.

Dieser Sensor hat den Nachteil, daß die zur Realisierung des optischen Verfahrens bereitzustellenden Mittel (Sender, Empfänger usw.) einen relativ hohen Aufwand an mechanischen, optischen und elektrischen Teilen erfordern.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er sehr kosten günstig herzustellen und über einen sehr weiten Temperaturbereich einsetzbar ist. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unter ansprüchen 2 bis 11.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer Libelle, schematisch,

Fig. 2 das elektrische Schaltbild einer möglichen Auswerteschaltung des Sensors nach Fig. 1,

Fig. 3 die als Hybridplatte ausgebildete Deckelplatte des Gehäuses der Libelle nach Fig. 1 mit den darauf befindlichen Schaltungs elementen der Auswerteschaltung in der Draufsicht,

Fig. 4 ein in Blasentechnik ausgebildetes elektrisch aufheizbares, temperaturempfindliches elektrisches Schaltungselement im Schnitt senkrecht zu der Oberfläche der als Hybridplatte ausgebildeten Deckelplatte.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen thermischen Beschleunigungs- und Neigungs sensors dargestellt. An einem beweglichen Gegenstand 10, beispiels weise einem Kraftfahrzeug, dessen Beschleunigung und Neigung erfaßt werden soll, ist eine Libelle 11 befestigt. Sie umfaßt ein Gehäuse 12, das aus einem Gehäuseunterteil 13 und einer Deckelplatte 14 besteht. Die Deckelplatte 14 ist an dem Gehäuseunterteil 13 so befestigt, daß das Gehäuse 12 vollständig dicht ist. Das Gehäuse 12 umschließt einen rotationssymmetrisch ausgebildeten Hohlraum 15, der sich gegen die Deckelplatte 14 hin konisch verjüngt. Der obere Teil des Hohlraums 15 hat dabei die Form eines Kegelstumpfs, wobei der Böschungswinkel des Kegelstumpfs vorzugsweise 21° beträgt. In dem von dem Gehäuse 12 umschlossenen Hohlraum 15 ist eine Flüssigkeit 16 und eine Luftblase 17 enthalten, wobei die Flüssigkeit 16 und die Luftblase 17 den Hohlraum 15 gemeinsam vollständig ausfüllen. In ihrer in Fig. 1 dargestellten Ausgangslage liegt die Luftblase 17 an der Deckelplatte 14 an und erstreckt sich konzentrisch um die Achse A des rotationssymmetrisch ausgebildeten Hohlraums 15.

Die Deckelplatte 14 ist als Hybridplatte ausgebildet und einseitig mit elektronischen Bauelementen bestückt.

Wie aus der Schnittdarstellung der Fig. 1 ersichtlich, ist auf die dem Gehäuseunterteil 13 zugekehrte Oberflächenseite der Deckelplatte 14 ein als ohmsches Widerstandselement ausgebildetes elektrisches Schaltungselement RS aufgebracht.

Wie aus Fig. 2 erkennbar, ist das als ohmsches Widerstandselement ausgebildete elektrische Schaltungselement RS Bestandteil einer Wheatstoneschen Brückenschaltung mit den Widerständen RS, RT₁, RT₂, D₁, D₂ und D₃, die die Auswerteschaltung des Sensors nach Fig. 1 bildet. An einer ersten Brückendiagonalen der Wheat stoneschen Brückenschaltung liegt eine konstante Referenzgleich spannung U_K an. An der anderen, zweiten Brückendiagonalen wird das Ausgangssignal U_D des Sensors abgenommen.

Fig. 3 zeigt die als Hybridplatte ausgebildete Deckelplatte 14 in der Draufsicht auf diejenige Oberflächenseite, auf die das elek trische Schaltungselement RS aufgebracht ist. Das Schaltungselement RS und die Widerstände RT₁, RT₂, D₁, D₂ und D₃ der Aus werteschaltung sind in Dickschichttechnik hergestellt. Die Wider stände RT₁, RT₂, D₃ können als Fühlwiderstände für die Um gebungstemperatur verwendet werden. Der Widerstand D₃ wird dabei dazu benutzt, den Temperaturkoeffizienten der Reihenschaltung der Widerstände RT₁, D₃, RT₂ einzustellen. Die Leiterbahnen sind mit 19, die Anschlußflecken für den äußeren Anschluß der Wheat stoneschen Brückenschaltung mit 20 bezeichnet.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie das elektrisch aufheizbare tempera turempfindliche elektrische Schaltungselement RS in vorteilhafter Weise auf der Hybridplatte 14 in Blasentechnik aufgebaut werden kann. Auf der Hybridplatte 14 ist eine Blase 21 aufgewölbt, die aus keramischem Werkstoff, vorzugsweise aus Glaskeramik besteht. In der Blase 21 ist das als Schichtwiderstand ausgebildete Widerstands element RS untergebracht. Die Blase 21 enthält eine in Dickschicht technik hergestellte Membran 23, auf der das Widerstandselement RS angeordnet ist, wobei zwischen der Membran 23 und dem Widerstands element RS sich eine aus Glas bestehende Zwischenschicht 24 befin det. Das Widerstandselement RS ist mit einer gut wärmeleitenden, aus Glas bestehenden Schutzschicht 25 abgedeckt.

Bei der Herstellung des in Blasentechnik ausgebildeten Widerstands elements RS wird wie folgt verfahren:
Der Prozeß beginnt damit, daß auf die Hybridplatte 14 an der Stelle, an der die Blase 21 angebracht werden soll, ein aus Dickschichtpaste bestehendes Podest 26 aufgedruckt und anschließend getrocknet und in Luft gebrannt wird. Hierauf wird auf das Podest 26 eine in der Zeichnung nicht dargestellte Schicht aus Kohlepaste gedruckt, die anschließend getrocknet und in Stickstoff gebrannt wird. Beim Brennen der Kohlepaste in Stickstoff entweichen im wesentlichen nur die flüchtigen Bestandteile, die Kohle bleibt jedoch als fester Bestandteil erhalten. Dann wird auf die Kohleschicht und auf einen sie umgebenden Randbereich eine aus einer keramischen Dickschicht paste bestehende Schicht aufgedruckt und das System anschließend in Stickstoff und hierauf in Luft gebrannt. Beim Brennen des Systems in Luft brennt die Kohleschicht vollständig aus und die auf die Kohle schicht aufgebrachte Schicht wird zu einer Memban aufgewölbt. Da in diesem Verfahrensstand die Membran noch zu porös und zu dünn ist, wird sie anschließend durch Einlagerung von Glas verstärkt und ver dichtet. Auf diese Weise entsteht die in Fig. 4 dargestellte Membran 23.

Auf die Membran 23 wird nun eine Glasschicht 24 aufgedruckt, die als Unterlage für das darauf aufzubringende, als Schichtwiderstand aus gebildete Widerstandselement RS dient und die Haftung und die Homo genität dieses Widerstandselements verbessern soll. Bei geeigneter Wahl des Materials für die Membran 23 kann jedoch die Glasschicht 24 auch entfallen.

Zur Herstellung des Widerstandselements RS wird eine platinhaltige Paste verwendet. Anschließend wird die Schutzschicht 25 aufgetragen. Die Schutzschicht 25 schützt das Widerstandselement RS und die in Fig. 4 nicht dargestellten Leiterbahnen vor Verschmutzung und Kor rosion. Die Schutzschicht 25 wird so ausgeführt, daß eine gute ther mische Ankopplung der Temperatur der beiden Medien 16 und 17 an die Temperatur des Widerstandselements RS gewährleistet ist.

Die Wirkungsweise des Sensors nach den Fig. 1 bis 4 ist folgende:

Das temperaturempfindliche elektrische Schaltungselement RS erwärmt sich infolge der an die erste Brückendiagonale der Wheatstoneschen Brückenschaltung angelegten konstanten Referenzgleichspannung U_K auf eine bestimmte Temperatur, bei der das temperaturempfindliche elektrische Schaltungselement RS einen bestimmten Widerstandswert annimmt. Wird der Sensor beschleunigt und/oder geneigt, dann wandert die Luftblase 17 zum Rand des Gehäuses 12 und das temperaturempfind liche elektrische Schaltungselement RS wird von der Flüssigkeit 16 umströmt. Dadurch sinkt die Temperatur des temperaturempfindlichen elektrischen Schaltungselementes RS und damit auch dessen ohmscher Widerstandswert. An der zweiten Brückendiagonalen der Wheat stoneschen Brückenschaltung verändert sich das Ausgangssignal U_D, das die Beschleunigung und/oder die Neigung des Sensors bzw. des beweglichen Gegenstandes anzeigt.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, daß kein Abrieb beim Dauerschütteln und nur eine geringe Hysterese auftritt und daß der Sensor kostengünstig in Hybridtechnologie herzustellen ist.

Vorteilhaft ist des weiteren, daß der Sensor infolge des rotations symmetrischen Aufbaus der Libelle omnidirektional messen kann und daß die Flüssigkeit nicht notwendigerweise transparent sein muß. Der Sensor ist unempfindlich gegen senkrechte Beschleunigung. Seine Empfindlichkeit bzw. Ansprechneigung ist durch die Formgebung der oberen Gehäuseinnenseite in weiten Bereichen veränderbar. Das Dämpfungs- bzw. Zeitverhalten des Sensors ist durch die Art der Flüssigkeit und den Strömungsquerschnitt (Abstand Boden - Deckel) einstellbar.

Die aus Platin bestehenden Widerstände RS, RT₁ und RT₂ haben einen Temperaturkoeffizienten TK von 3400 ppm/K, die Dickschicht widerstände D₁, D₂ und D₃ einen Temperaturkoeffizienten TK von 50 ppm/K.

Claims

1. Sensor zur Erfassung der Beschleunigung und der Neigung eines beweglichen Gegenstandes (10), insbesondere eines Kraftfahrzeuges, mit Hilfe einer an dem Gegenstand (10) befestigten Libelle (11), die ein Gehäuse (12), eine in dem Gehäuse (12) befindliche Flüssigkeit (16) und eine in dem Gehäuse (12) befindliche Gasblase (17) umfaßt, wobei die Flüssigkeit (16) und die Gasblase (17) den von dem Gehäuse (12) umschlossenen Hohlraum (15) gemeinsam derart vollständig aus füllen, daß die Gasblase (17) von der Flüssigkeit (16) nicht voll ständig umschlossen wird, sondern an der Innenseite des Gehäuses (12) anliegt, so daß die Trennfläche Flüssigkeit/Gasblase auf die Innenseite des Gehäuses (12) stößt, und wobei die Gasblase (17) sich in dem Gehäuse (12) in einer Ausgangslage befindet, wenn die Be schleunigung und die Neigung der Libelle (11) gleich Null sind oder sich in ihrer Wirkung gegenseitig aufheben, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Gehäuses (12) innerhalb desjenigen Bereichs, über den sich die Gasblase (17) in der genannten Ausgangs lage erstreckt, ein elektrisch aufheizbares, temperaturempfindliches elektrisches Schaltungselement (RS) angebracht ist und daß das elektrische Schaltungselement (RS) Bestandteil einer Auswerte schaltung ist, die ein von der Beschleunigung und der Neigung der Libelle (11) abhängiges Ausgangssignal (U_D) abgibt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elek trische Schaltungselement (RS) durch einen durch das elektrische Schaltungselement (RS) fließenden elektrischen Strom aufheizbar ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) aus einem Gehäuseunterteil (13) und einer als Hybrid platte ausgebildeten Deckelplatte (14) besteht und daß das elek trische Schaltungselement (RS) an der dem Gehäuseunterteil (13) zugewandten Oberflächenseite der Deckelplatte (14) angebracht ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Schaltungselement (RS) ein ohmsches Widerstands element ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das ohmsche Widerstandselement (RS) ein Schichtwiderstandselement ist.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schicht widerstandselement (RS) in einer aus keramischem Werkstoff, ins besondere aus Glaskeramik bestehenden Blase (21) untergebracht ist, die an der Innenseite des Gehäuses (12), vorzugsweise an der dem Gehäuseunterteil (13) zugewandten Oberflächenseite der Deckelplatte (14) aufgewölbt ist.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blase (21) eine in Dickschichttechnik hergestellte Membran (23) enthält, auf der das Schichtwiderstandselement (RS) angeordnet ist.

8. Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die als Hybridplatte ausgebildete Deckel platte (14) weitere elektrische Schaltungselemente (RT₁, RT₂, D₁, D₂, D₃) aufgebracht sind, die Bestandteil der Auswerte schaltung sind.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren elektrischen Schaltungselemente (RT₁, RT₂, D₁, D₂, D₃) an der dem Gehäuseunterteil (13) zugewandten Oberflächenseite der Deckelplatte (14) angebracht sind.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Gehäuse (12) umschlossene Hohlraum (15) mindestens in der Nähe der Ausgangslage der Gasblase (17) die Form eines Kegel stumpfs hat.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Böschungswinkel des Kegelstumpfs 21° beträgt.