DE3939410A1 - Sensor - Google Patents
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Description
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.
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.
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.
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 UK an. An der anderen, zweiten Brückendiagonalen wird das
Ausgangssignal UD 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.
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 UK
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 UD,
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 (11)
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 (UD) 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.
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