DE4135369A1

DE4135369A1 - Testbarer piezoelektrischer beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE4135369A1
Application number: DE4135369A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl Ing Gademann; Botho Dipl Phys Dr Ziegenbein; Ulrich Dipl Ing Kippelt; Bernd Dipl Ing Dr Maihoefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-10-26
Filing date: 1991-10-26
Publication date: 1993-05-13
Also published as: DE4135369C2; JPH05215766A; US5473930A; SE9203114D0; SE9203114L

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem testbaren Beschleunigungssensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind schon testbare piezo elektrische Beschleunigungssensoren bekannt (Asano S. et. al. SAE P-242 Technical Papers Digest: Sensors and Actuators, 1991), bei de nen zwei piezoelektrische Keramikplatten mit Elektroden auf den Ober- und Unterseiten und einer metallischen Platte zwischen den piezoelektrischen Platten verwendet werden. Die piezoelektrische Polarisation der beiden verwendeten piezoelektrischen Platten weist in dieselbe Richtung. Die Elektrode auf der Oberseite dieser Be schleunigungssensoren ist in eine Antriebs- und eine Signalelektrode unterteilt, durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der metallischen Mittelplatte und der Antriebselektrode wird der Be schleunigungssensor verformt. Die Verformung bewirkt ein elektri sches Signal zwischen den Signalelektroden auf der Oberseite und der Unterseite und der metallischen Mittelplatte. Diese Bauform testba rer piezoelektrischer Beschleunigungssensoren erfordert die Verwendung einer extern elektrisch angeschlossenen metallischen Mit telplatte, da aufgrund der gleichgerichteten Polarisation der Plat ten nur so ein Signal abgenommen werden kann.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße testbare piezoelektrische Beschleunigungssensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegen über den Vorteil, daß die Herstellung von Piezoelementen aus piezo elektrischen Platten, deren Polarisation in entgegengesetzte Rich tungen zeigt, einfacher und somit kostengünstiger ist. Diese Senso ren benötigen nur Elektroden auf der Oberseite und der Unterseite des Piezoelements, eine extern elektrisch angeschlossene metallische Platte zwischen den einzelnen piezoelektrischen Platten entfällt. Die Herstellung dieser Sensorelemente kann daher weitgehend automa tisiert werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen testbaren Beschleunigungssensors möglich. Besonders ein fach wird ein erfindungsgemäßer testbarer Beschleunigungssensor da durch realisiert, daß das Piezoelement einstückig mit mindestens je weils zwei Elektroden auf der Oberseite und auf der Unterseite aus geführt wird, wobei die Elektroden paarweise gegenüberliegend ange ordnet sind. Die Herstellung eines solchen Beschleunigungssensors erfolgt einfacherweise durch die Aufbringung von strukturierten Elektroden auf der Ober- und Unterseite. Vorteilhaft sind dabei die Elektroden auf der Oberseite mit denen auf der Unterseite identisch, da so ein elektrisches Übersprechen minimiert bzw. der Platzver brauch optimiert wird. Durch eine leitende Schicht zwischen den piezoelektrischen Platten wird der Wirkungsgrad des Piezoelementes bzgl. der Umsetzung von Beschleunigungen in elektrische Signale optimiert. Diese leitende Schicht ist jedoch nicht extern elektrisch angeschlossen. Die Strukturierung dieser leitenden Schicht oder die Verwendung einer nicht leitenden Schicht sind Maß nahmen, die ein elektrisches Übersprechen zwischen den einzelnen Elektroden weiter verringern. Durch einen Luftspalt zwischen den verschiedenen Teilen des Piezoelements wird das elektrische Über sprechen zwischen den Elektrodenpaaren besonders gut unterdrückt. Eine besonders gute mechanische Kopplung der verschiedenen Bereiche wird in diesem Fall durch Keramikbalken erreicht. Die fertigungs technisch einfachste Methode, die mechanische Kopplung der verschie denen Teile des Piezoelementes zu erreichen, liegt in der Verwendung eines Klebstofftropfens.

Zeichnungen

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

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Beschleunigungssensor mit einstückiger Ausführung des Piezoelementes, Fig. 2 einen Beschleu nigungssensor mit Luftspalt und Keramikspalten, Fig. 3 einen Be schleunigungssensor mit Luftspalt und einem Klebstofftropfen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiel

In Fig. 1 ist mit 1 ein Piezoelement bestehend aus zwei aufeinan derliegenden piezoelektrischen Platten 2 bezeichnet. Das Piezoele ment 1 ist im mittleren Bereich auf einem Sockel 3 derart angeord net, daß das Piezoelement 1 durch eine Beschleunigung verbogen wird. Das Piezoelement 1 ist mit Elektroden 9 auf der Oberseite 7 und auf der Unterseite 8 versehen. Durch die paarweise einander gegeüberlie genden Elektroden 9 werden zwei Teile 11a und 11b des einstückigen Piezoelements 1 definiert. Die beiden piezoelektrischen Platten 2 sind über eine leitende Schicht 10 verbunden.

Das Material der piezoelektrischen Platten 2 hat die Eigenschaften, daß bei einer Verformung der Platten eine elektrische Spannung auf der Oberfläche der Platten entsteht bzw. bei Anlegen einer externen elektrischen Spannung eine Verformung der Platten resultiert. Die Verformung des hier verwendeten Piezoelements 1 besteht in einer Verbiegung. Die durch die Verbiegung entstehenden elektrischen Span nungen werden über die Elektroden 9 und hier nicht gezeigten Zulei tungen zu einer Auswerteschaltung nachgewiesen bzw. über die Elek troden 9 und die Zuleitungen wird eine externe Spannung an das Piezoelement 1 angelegt und so das Piezoelement verbogen. Für den Test des Sensors wird ein Teil 11a des Piezoelements 1 als Antrieb für die Verbiegung und der andere Teil 11b zum Nachweis dieser Ver biegung genutzt.

Je nach Ausrichtung der piezoelektrischen Polarisation wird dabei die Polung der entstehenden elektrischen Spannung bzw. die Reaktion (Zusammenziehen oder Ausdehnen) des piezoelektrischen Materials festgelegt. Wenn das Piezoelement 1 verbogen wird, so entstehen in einer der piezoelektrischen Platten 2 mechanische Zugspannungen und in der anderen piezoelektrischen Platte 2 mechanische Druckspannun gen. Wenn die Polarisation der piezoelektrischen Platten 2 in die selbe Richtung weist, so kompensieren sich die bei der Biegung ent stehenden elektrischen Spannungen und sind daher nur mit einer zu sätzlichen, extern angeschlossenen Elektrode zwischen den beiden Platten nachweisbar. Durch die entgegengesetzt orientierte Polarisa tion der Platten 2 sind die im Fall der Biegung des Piezoelements 1 entstehenden elektrischen Spannungen in den piezoelektrischen Plat ten 2 in Reihe geschaltet, so daß sie sich verstärken und somit ein fach durch die nur auf der Ober- und Unterseite 7, 8 aufgebrachten Elektroden 9 nachweisbar sind. Die Elektroden 9 sind auf der Ober seite 7 und auf der Unterseite 8 jeweils als zwei getrennte Bereiche 11a und 11b ausgeführt, die unabhängig voneinander angesteuert wer den können. Durch diese Maßnahme ist es möglich, den Sender zu te sten, indem ein Elektrodenpaar der einander auf der Oberseite 7 und Unterseite 8 gegenüberliegenden Elektroden 9 mit einer externen elektrischen Spannung versehen werden und das andere Elek trodenpaar zum Nachweis der dadurch entstehenden Verbiegung des Piezoelements verwendet wird.

Die in Fig. 1 gezeigten Elektroden 9 weisen alle die gleiche geome trische Form auf. Es sind jedoch eine Vielzahl von Variationen der Elektrodengeometrie vorstellbar, insbesondere ist es vorstellbar, daß die Elektroden für die externe Spannung nur sehr klein sind, wenn nur an einer Funktionsüberprüfung des Sensors gedacht wird und so die im Testfall erzeugten Verbiegungen des Piezoelements klein sein können. Wenn sich Elektrode 9 auf den beiden Seiten 7, 8 des Piezoelements 1 gegenüberliegen, so wird bei Anlegen eines elektri schen Potentials an eine der Elektroden 9 ein Potential auf der ge genüberliegenden Elektrode 9 induziert. Durch dieses elektrische Übersprechen kann die Meßbarkeit der Sensoren verschlechtert werden, da in so einem Fall ein Testsignal auftritt, das nicht mit einer der entsprechenden Verbiegung des Piezoelements 1 übereinstimmt. Die Elektroden 9 sollten daher auf beiden Seiten 7, 8 des Piezoelements 1 die gleiche Form haben.

Um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den beiden piezoelek trischen Platten 2 sicherzustellen, ist zwischen den beiden Platten eine leitende Schicht 10 gelegen. Durch diese leitende Schicht 10 werden die bei der Verbiegung des Piezoelements 1 in den einzelnen piezoelektrischen Platten 2 erzeugten Spannungen in Reihe geschaltet und können so an den an der Oberseite 7 und Unterseite 8 aufgebrach ten Elektroden 9 gemessen werden. Wenn sich die leitende Schicht 10 auf der gesamten Fläche zwischen den beiden piezoelektrischen Plat ten 2 erstreckt, wird jedoch das elektrische Übersprechen zwischen den Elektroden 9, an denen eine externe Spannung anliegt und den Elektroden 9, die die Verformung des Piezoelements 1 nachweisen sehr groß. Es ist daher vorteilhaft, diese leitende Schicht 10 in glei cher Weise zu strukturieren wie die Elektroden 9 auf der Oberseite 7 und der Unterseite 8 des Piezoelements 1. In diesem Fall muß sicher gestellt sein, daß keine leitende Verbindung zwischen den verschie denen Bereichen der leitenden Schicht 10 besteht. Wenn eine geringe re Empfindlichkeit des Sensors zulässig ist, so wird durch die Ver wendung einer isolierenden Schicht anstelle der leitenden Schicht 10 der Fertigungsprozeß für die Piezoelemente vereinfacht, da in diesem Fall normale Klebstoffe verwendet werden können.

Die Elektroden 9 werden durch Dünnfilmtechniken, wie Aufdampfen oder Aufsputtern und Ätzprozesse erzeugt. Die leitende Schicht 10 zwi schen den beiden piezoelektrischen Platten 2 wird beispielsweise durch die Verwendung eines leitfähigen, mit Metallpartikeln gefüll ten Klebers, hergestellt.

Das Piezoelement 1 ist über einen Sockel 3 mit einem in Fig. 1 nicht gezeigten Substrat verbunden. Die Funktion des Sockels 3 ist dabei, das Piezoelement 1 so zu lagern, daß eine Verbiegung des Piezoelements 1 bei Beschleunigung stattfindet. Weiterhin können auf dem Sockel 3 Leiterbahnen für die Kontaktierung der Elektrode 9 auf der Unterseite 8 des Piezoelements 1 angeordnet sein. Äquivalente Anordnungen des Sockels 3 bzgl. des Piezoelements 1 werden in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt.

In Fig. 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel eines testbaren Be schleunigungssensors auf einem Dickschicht-Hybridsubstrat 20 ge zeigt. Das Dickschicht-Hybridsubstrat 20 ist auf einer Trägerplatte 21 mit Schraublöchern 22 zur Befestigung und mit elektrischen Durch führungen 23 versehen. Durch Bonddrähte 24 wird ein elektrischer Kontakt von den elektrischen Durchführungen 23 zu den Bondpads 25 hergestellt. Die Signale des Sensors werden über die elektrischen Durchführungen 23 an andere Schaltkreise außerhalb des Sensors abge geben. Die Trägerplatte 21 kann mit einer hier nicht gezeigten Kappe versehen werden, die sich über die elektrischen Durchführungen 23 und das Dickschicht-Hybridsubstrat 20 erstreckt und so den Sensor hermetisch von der Umwelt abkapselt. Auf dem Dickschicht-Hybridsub strat 20 sind Bauteile 26 angeordnet, die zusammen mit den hier aus Vereinfachungsgründen nicht gezeigten Leiterbahnen, Schaltkreise zur Auswertung des Sensorsignals bilden. Die Verbindung der Schaltkreise zum Piezoelement 1 erfolgt wiederum durch Bonddrähte 24.

Das in Fig. 2 gezeigte Piezoelement 1 weist zwischen seinen beiden Teilen 11a und 11b einen Luftspalt 13 auf. Die beiden Teile 11a und 11b des Piezoelements 1 sind äquivalent zum Piezoelement aus Fig. 1 aufgebaut, d. h. sie bestehen aus zwei piezoelektrischen Platten 2, deren piezoelektrische Polarisation in entgegengesetzte Richtungen weist, Elektroden 9 auf der Oberseite 7 und der Unterseite 8 des Piezoelements 1 und einer leitenden Schicht 10 zwischen den beiden piezoelektrischen Platten 2. Beim hier gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Anordnung des Piezoelements 1 auf dem Sockel 3 derart, daß das Piezoelement 1 nur an einem Ende eingespannt ist. Die beiden Teile 11a und 11b des Piezoelements 1 rechts und links des Luftspal tes 13 sind an ihren anderen Enden durch einen Keramikbalken 12 mechanisch miteinander verbunden. Durch den Luftspalt 13 sind jedoch die beiden Teile 11a und 11b des Piezoelements 1 sehr gut elektrisch voneinander entkoppelt. Die Elektroden 9 der einzelnen Teile des Piezoelements 1 sind daher jeweils einzeln elektrisch angeschlossen. Die Kontaktierung der Elektrode 9 auf der Oberseite des Piezoele ments erfolgt durch einen Bonddraht 24 und einen Anschlußpunkt 27, die Kontaktierung der Elektrode 9 auf der Unterseite 7 des Piezoele ments 1 erfolgt durch einen Bonddraht 24, einen Anschlußpunkt 27 und einer leitenden Schicht auf dem Sockel 3. Die leitende Schicht auf dem Sockel 3 erstreckt sich jeweils nur unter einen Teil des Piezo elements 1. In äquivalenter Weise kann der Sockel 3 aus einem leit fähigen Material, beispielsweise entsprechend dotierten Silizium, bestehen. In diesem Fall würde der Sockel 3 ebenfalls einen Luft spalt 13 aufweisen. Der Anschlußpunkt 27 besteht aus einer aufge klebten Metallscheibe, da die Metallisierung der Elektroden 9 nicht direkt mit einem Bonddraht versehen werden kann.

In Fig. 3 ist eine fertigungstechnisch besonders vorteilhafte Aus gestaltung des überprüfbaren Beschleunigungssensors gezeigt. Die beiden Teile 11a und 11b des Piezoelements sind an einem Ende auf jeweils einem Sockel 3 auf dem Dickschicht-Hybridsubstrat 20 so ge lagert und in der Mitte durch einen Luftspalt 13 getrennt. Die mechanische Verbindung zwischen den beiden Teilen 11a und 11b des Piezoelements erfolgt durch einen ausgehärteten Klebstofftropfen 12. Fertigungstechnisch ist die Verwendung eines ausgehärteten Kleb stofftropfens 12 besonders einfach, da dieser Klebstofftropfen 12 leicht durch eine automatische Dosiervorrichtung aufgebracht werden kann. Bei entsprechend hoher Viskosität des noch flüssigen Klebstof fes können auch große Luftspalte 13 überbrückt werden.

Claims

1. Testbarer Beschleunigungssensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit mindestens einem auf einem Sockel befestigten Piezoelement aus mindestens zwei aufeinanderliegenden piezoelektrischen Platten, mit Elektroden und Zuleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß die piezo elektrische Polarisation der Platten (2) in entgegengesetzte Rich tungen zeigt, und daß für den Test des Sensors ein erster Teil (11a) des Piezoelements (1) durch Anlegen einer elektrischen Spannung an Elektroden (9), die auf einem zweiten Teil (11b) des Piezoelements (1) aufgebracht sind, verformbar ist, und daß diese Verformung durch ein Testsignal an Elektroden (9) nachweisbar ist, die auf diesem er sten Teil (11) aufgebracht sind.

2. Testbarer Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Piezoelement (1) mindestens jeweils zwei Elektro den (9) auf der Oberseite (7) und auf der Unterseite (8) aufweist, wobei die Elektroden (9) paarweise gegenüberliegend angeordnet sind.

3. Testbarer Beschleunigungssensor nach Anspruch 2 , dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektroden (9) auf der Oberseite (7) mit denen auf der Unterseite (8) identisch sind.

4. Testbarer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Platten (2) des Piezo elements (1) eine leitende Schicht (10) liegt.

5. Testbarer Beschleunigungssensor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Schicht (10) in ihrer Form wie die Elektroden (9) ausgestaltet ist.

6. Testbarer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1-3, da durch gekennzeichnet, daß zwischen den Platten (2) des Piezoelements (1) eine isolierende Schicht liegt.

7. Testbarer Beschleunigungssensor nach einem der Ansprüche 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Teilen (11a, 11b) des Piezoelements (1) ein Luftspalt (13) liegt und die beiden Teile mechanisch miteinander verbunden sind.

8. Testbarer Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Teile (11a, 11b) des Piezoelements (1) durch Keramikbalken (12) miteinander verbunden sind.

9. Testbarer Beschleunigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Teile (11a, 11b) des Piezoelements (1) durch Klebstofftropfen (12) miteinander verbunden sind.