DE4237072C1 - Resistiver Foliendrucksensor - Google Patents

Resistiver Foliendrucksensor

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Volker Dipl Ing Petri
Guido Dipl Ing Wetzel
Bogdan Dipl Ing Serban
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Mercedes Benz AG
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen resistiven Foliendruck­ sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es ist bereits ein gattungsgemäßer druckempfindlicher Wider­ stand in Form eines Foliendrucksensors bekannt, der serienmäßig gefertigt und in verschiedenen Varianten in vielen Bereichen, insbesondere auch in der Automobilindustrie eingesetzt wird. Dieser Foliendrucksensor ist auch unter dem eingetragenen Warenzeichen FSR bekannt, was die Abkürzung für "Force Sensing Resistor" ist.
Ein solcher Foliendrucksensor besteht aus zwei Polymerlagen, die zusammenlaminiert wurden, wobei die eine Lage mit einem Halbleitermaterial und die andere mit zwei interdigitierenden kammartigen Elektroden beschichtet ist. Die kammartige Struktur der Elektroden wird durch dünne Leiterbahnen realisiert, die als Stichleitungen von einem Hauptstrang abzweigen, der über eine Verbindungsleitung mit einem Anschlußpunkt verbunden ist. Wird der Foliendrucksensor mit Druck belastet, schaltet das Halbleitermaterial die Kontaktfinger der Elektroden mehr oder weniger parallel, worauf der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden abnimmt. Zwischen den beiden Anschlußpunkten liegt damit ein Widerstand (FSR) an, der mit zunehmender Druck­ kraft abnimmt und abhängig davon in einem Bereich von ungefähr drei Zehnerpotenzen variiert.
Ein ähnlicher druckabhängiger Analogwandler oder Schalter, welcher ebenfalls eine Halbleitergemisch-Schicht und kammartige Elektroden verwendet, ist auch aus der DE 30 44 384 A1 bekannt und wird dort in einer Anwendung auf elektronische Musikinstru­ mente beschrieben. Weiterhin ist aus der US 5 010 774 ein Drucksensor bekannt, der sich aus einer Vielzahl von Sensor­ elementen zusammensetzt und auch zur Sitzbelegungserkennung angewendet wird. Auch hier weisen die einzelnen Sensorelemente eine kammartige Elektrodenstruktur auf.
Für sicherheitskritische Anwendung, wie zum Beispiel der Air­ bagauslösung in Kraftfahrzeugen, müssen die beteiligten Sen­ soren regelmäßig auf ihre Funktion überprüft werden. Das geschieht automatisch, beispielsweise in einem Selbsttest nach jedem Einschalten des Bordnetzes des Fahrzeugs.
Bei den bisher bekannten Foliendrucksensoren ergeben sich Nachteile dahingehend, daß deren Funktionsfähigkeit nur unge­ nügend oder nur unter großem Aufwand überprüft werden kann. So kann zwar durch Messung des Widerstandes zwischen den beiden Anschlußkontakten des Foliendrucksensors ein Kurzschluß oder eine Unterbrechung in einer Verbindungsleitung leicht erkannt werden, eine Leitungsunterbrechung im Bereich der interdigi­ tierenden Elektroden beeinflußt aber lediglich die Drucksen­ sitivität und könnte nur unter großem Aufwand mit Kenntnis der eingeprägten äußeren Kraft aus einer Abweichung vom Kennli­ nienverhalten ermittelt werden. Andererseits kann eine Einbuße an Drucksensitivität bei sicherheitskritischen Anwendungen nicht toleriert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Folien­ drucksensor so auszubilden, daß eine einfache und zuverlässige Überprüfung der Leiterbahnen sowohl der Verbindungsleitungen als auch der kammartig ausgebildeten Elektroden ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.
In vorteilhafter Weise gestattet der erfindungsgemäße Folien­ drucksensor, daß durch Widerstandsmessung zwischen zwei von den insgesamt vier Anschlußkontakten die Leiterbahnen auf ihrer gesamten Länge, wobei der Bereich der Elektroden eingeschlossen ist, auf eine Leitungsunterbrechung bzw. Kurzschluß hin über­ prüft werden können. Aufgrund der verzweigungsfreien Ausführung der Kammstruktur der Elektroden wird eine Unterbrechung an be­ liebiger Stelle bei einem Selbsttest erkannt.
Besondere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Foliendrucksensors,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Foliendrucksensors,
Fig. 3 eine Beschaltung des erfindungsgemäßen Foliendrucksensors zwecks einer vereinfachten Funktionsprüfung,
Fig. 4a eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Foliendruck­ sensors als Sensormatte für einen Fahrzeugsitz,
Fig. 4b einen Fahrzeugsitz.
Die Darstellung der Foliendrucksensoren in den Fig. 1 bis 4a beschränkt sich auf die Leitungsführung der Leiterbahnen, unter Verzicht auf eine Wiedergabe der das Trägersubstrat bildenden Polymerlage und der Halbleiterschicht im Bereich der inter­ digitierenden Elektroden.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Foliendrucksensor dargestellt, bestehend aus einem einzigen Sensorelement 1 mit vier Anschlußpunkten A, B, C, D. Von dem Anschlußpunkt A erstreckt sich eine durchgehende Lei­ terbahn 2 zum Anschlußpunkt C, ebenso eine Leiterbahn 3 von B nach D. Im drucksensitiven Bereich des Sensorelementes 1 nehmen die Leiterbahnen 2, 3 einen mäandrierenden Verlauf, wobei die so gebildeten kammartigen Strukturen der beiden Leiterbahnen 2, 3 ineinandergreifen, was den interdigitierenden Elektroden der bekannten Ausführungsformen entspricht.
In diesem wie in den folgenden Ausführungsbeispielen füllt der drucksensitive Bereich eines Sensorelementes 1 eine kreisför­ mige Grundfläche aus, im Vorgriff auf die Verwendung beim Auf­ bau einer Sensormatte zur Sitzbelegungserkennung. Ohne weiteres sind jedoch auch andere geometrische Formen für die Grundfläche des drucksensitiven Bereiches denkbar.
In Bezug auf die bekannten Foliendrucksensoren ist der erfin­ dungsgemäße voll abwärtskompatibel, da die Anschlußpunkte A, B des erfindungsgemäßen Foliendrucksensors in Fig. 1 den beiden Anschlüssen der bekannten Ausführungen entsprechen.
Die Funktionsprüfung des Foliendrucksensors geschieht wie folgt: Bei einer Prüfung auf Kurzschluß zwischen den beiden Leiterbahnen 2, 3 wird mit einer Widerstandsmessung zwischen den Anschlußpunkten A und B oder C und D der druckabhängige Widerstand (FSR) zwischen den Leiterbahnen 2 und 3 gemessen. Wie bisher weist eine Unterschreitung einer bestimmten unteren Schranke auf einen Kurzschluß zwischen den Leiterbahnen 2 und 3 hin. Da die Leiterbahnen 2 und 3 einen definierten Widerstand besitzen, deutet ein abweichendes Ergebnis einer Widerstands­ messung zwischen den Anschlußpunkten A und C bzw. B und D auf eine Störung hin. Wird ein deutlich erhöhter Widerstandswert gemessen, so ist dies ein Hinweis auf eine Leitungsunterbre­ chung, während eine Erniedrigung auf einen Kurzschluß zwischen verschiedenen Abschnitten einer Leiterbahn schließen läßt.
Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, welches in einer Aneinanderreihung von einzelnen Sensorelementen des Typs des vorangehenden Ausführungsbeispiels besteht. Zwei aufeinan­ derfolgende Sensorelemente 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, werden in der Weise vernetzt, daß die Anschlußkontakte C und D des einen Sensorelementes mit den Anschlüssen A und B eines nachfolgenden Sensorelementes verbunden sind. Damit er­ geben sich in Fig. 2 zwei durchgehende, verzweigungsfreie Lei­ terbahnen 4 und 5, bei denen die elektronischen kammartigen Leiterbahnabschnitte der einzelnen Sensorelemente in Reihe ge­ schaltet sind, während die jeweils zwischen zwei gegenüberlie­ genden elektronischen Leiterbahnabschnitten anliegenden druck­ sensitiven Widerstände (FSR) parallel geschaltet sind.
In gleicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann durch Messung des Widerstandes zwischen zwei der vier Anschluß­ punkte A, B, C, D der Foliendrucksensor in Fig. 2 überprüft werden. Darüberhinaus ist es möglich, aus den gemessenen Wi­ derstandswerten, eine Leitungsunterbrechung ungefähr zu loka­ lisieren, sofern die Einzelwiderstände der Sensorelemente 1.1 bis 1.4 unter gleichen äußeren Bedingungen bekannt sind. Wenn beispielsweise die eine Leitungsbahn 4 zwischen den Sensorele­ menten 1.3 und 1.4 unterbrochen ist, ergibt sich der gemessene Widerstand zwischen den Anschlußpunkten A und B aus der Paral­ lelschaltung der drei Widerstände der Sensorelemente 1.1, 1.2, 1.3 und der gemessene Widerstand zwischen den Anschlußpunkten C und D allein aus dem Widerstand des Sensorelementes 1.4. Umge­ kehrt kann auch zu jedem gemessenen Widerstand zwischen den An­ schlußpunkten A und B sowie C und D die entsprechende Fehler­ diagnose gestellt werden.
Fig. 3 zeigt einen Foliendrucksensor, bei dem die Anschluß­ punkte C und D über einer Diode 8 für eine Stromrichtung lei­ tend verbunden sind. Mit einer umpolbaren Prüfspannung (< 0.7 V) an den Anschlußpunkten A und B kann unter einer Polarität, bei der die Diode 8 leitet, der Gesamtleitungswiderstand der Leiterbahnen 6 und 7 gemessen werden und auf eventuelle Stö­ rungen analysiert werden. Ist durch die Polung der Prüfspannung die Diode 8 gesperrt, so erfolgt die Messung der parallelge­ schalteten drucksensitiven FSR-Widerstände. In vorteilhafter Weise kann die Diode 8 auf dem nicht dargestellten Folienträger integriert werden, wodurch zwei Anschlußleitungen eingespart werden.
In Fig. 4a ist ein Foliendrucksensor dargestellt, welcher als Sensormatte 9 zur Sitzbelegungserkennung für einen Fahrzeugsitz ausgestaltet ist. Innerhalb der Sitzkontur 10 befinden sich auf einem gemeinsamen Folienträger 11 eine Reihe von Sensorele­ menten 12 vom gleichen Typ wie das Sensorelement 1 in Fig. 1, wobei die Sensorelemente 12 nach dem Prinzip des Ausführungs­ beispiels in Fig. 2 vernetzt sind.
Um eine durchgehende, verzweigungsfreie Leitungsführung zu er­ halten, bei einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der Sen­ sorelemente 12 über die gesamte Sitzfläche, sind die Sensor­ elemente 12 entlang einer in Schleifen geführten Doppelring­ leitung 13 angeordnet, wobei jeweils mehrere Sensorelemente 12 in Form von stegartig in die Sitzfläche hineinragenden Sensor­ gruppen zusammengefaßt sind.
Im mittleren Sitzbereich 11 muß der Einsatz von Kindersitzen mit einer sehr kleinen spezifischen Flächenbelastung berück­ sichtigt werden, weshalb die Sensorelemente 12 in kürzeren Ab­ ständen zueinander angeordnet sind als in dem vorderen Sitzbe­ reich IV und dem Bereich der Seitenbacken I und III.
Aufgrund der nach oben gewölbten Struktur der Seitenbacken I und III treten durch das Bespannen Torsionskräfte auf. Da diese nicht auf das Sensorelement übertragen werden dürfen, wäre das Sensorelement 12 idealerweise punktförmig zu gestalten.
Andererseits müssen die Sensorelemente 12 auch so groß sein, daß eine ausreichende Empfindlichkeit in normaler Richtung bei Sitzbelegung sichergestellt ist. In der Praxis hat sich ein kreisförmiges Sensorelement 12 mit einem Durchmesser von unge­ fähr 10 mm bewährt.
Anfang und Ende der Doppelringleitung 13 sind mit Anschlußkon­ takten 14 verbunden, welche von oben nach unten betrachtet den Anschlußpunkten A, B, C, D des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 entsprechen,.
Eine Widerstandsmessung zwischen den Anschlußpunkten A und B bzw. 3 und 4 ergibt die Aussage "Sitz belegt" oder "Sitz unbelegt", wobei der Dynamikumfang der Sensormatte zwischen 500 Ohm und 30 MOhm liegt. Widerstände unterhalb von ca. 500 Ohm deuten auf einen Kurzschluß zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden oder zwischen zwei Verbindungsleitungen hin und lassen sich somit als Fehler diagnostizieren. Daneben können auch Fehler, die auf eine Unterbrechung der Leiterbahnen beru­ hen, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen durch Wi­ derstandsmessungen zwischen den Kontakten A und C sowie B und D aufgespürt werden. Damit ist die Sensormatte 9 auf alle Fehler­ zustände eindeutig prüfbar. Bei einer Fehlermeldung können von einem übergeordneten Steuergerät Maßnahmen getroffen werden, das Sicherheitssystem in einen sicheren Betriebszustand zu­ schalten, z. B. eine von der Sitzbelegung unabhängige Auslösung eines Beifahrer-Airbags.
Die vom Folienträger 11 nicht ausgefüllten großen Freiflächen lassen einen ausreichenden Luft- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen der Sitzoberfläche und der Sitzunterseite zu und er­ möglichen dadurch ein angenehmes Sitzklima.
Die Fig. 4b zeigt einen Querschnitt durch das Sitzpolster des Fahrzeugsitzes. Die Sensormatte kann a) zwischen dem Bezug 15 und der Gummihaarmatte 16, b) innerhalb der Gummihaarmatte 16, c) zwischen der Gummihaarmatte 16 und dem Federrahmen 17 oder d) unmittelbar oberhalb der Sitzschale 18 angeordnet werden.
Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit kann die Sensormatte 9 innerhalb des Sitzes deutlich unterhalb der Sitzoberfläche und somit unterhalb einer eventuell vorgesehenen Sitzheizung ange­ ordnet werden. Dies ermöglicht, die Sitzheizung möglichst weit oben an der Sitzoberfläche anzuordnen, um den Insassen schnell erwärmen zu können.

Claims (4)

1. Resistiver Foliendrucksensor, insbesondere zur Sitzbele­ gungserkennung bei einem Fahrzeugsitz, dessen elektrischer Wi­ derstand mit zunehmender Normalkraft auf die Folienoberfläche abnimmt, bestehend aus zwei zusammenlaminierten Polymerlagen, wobei die eine Polymerlage mit einem Halbleitermaterial und die andere mit zwei Leiterbahnen beschichtet ist, welche von An­ schlußpunkten ausgehend Verbindungsleitungen bilden zu einem räumlich abgegrenzten drucksensitiven Sensorelement, wo die Leiterbahnen zu kammartigen, interdigitierend angeordneten Elektroden ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen und die Elektroden als durchgehende, verzweigungsfreie Leiterbahnen (2, 3) ausgeführt sind, wobei die kammartige Struktur der Elektroden durch eine mäandrierende Leitungsführung der Leiterbahnen (2, 3) erreicht wird, mit einem Anschlußpunkt am Anfang (A; B) und Ende (C; D) jeder Leiterbahn für einen beidseitigen Anschluß der Elektroden.
2. Resistiver Foliendrucksensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere Sensorelemente (1.1-1.4) in der Weise vernetzt sind, daß das Leiterbahnenpaar eines Sensorele­ mentes mit dem Leiterbahnenpaar eines folgenden Sensorelementes in Reihe geschaltet ist, wodurch die zwischen den interdigi­ tierenden Elektroden eines Sensorelementes anliegenden druck­ sensitiven Widerstände parallel geschaltet sind.
3. Resistiver Foliendrucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Foliendrucksensor als Sensormatte (9) zur Sitzbelegungserkennung, insbesondere bei Fahrzeugsitzen, aus­ gebildet ist, wobei
  • - die einzelnen Sensorelemente (12) kreisförmig, mit einem Durchmesser von ungefähr 10 mm ausgeführt sind,
  • - die Sensorelemente (12) mit den Verbindungsleitungen eine mäandrierende Doppelringleitung (13) bilden, zur flächen­ deckenden Verteilung der Sensorelemente (12) auf der Sensormatte (9),
  • - im mittleren Sitzbereich (11) die Sensorelemente (12) in stegförmig in den Sitzbereich hineinragende Sensorgruppen zusammengefaßt sind, mit kleineren gegenseitigen Abständen der Sensorelemente (12) zueinander als in den anderen Sitz­ bereichen, zur Erzielung einer größeren Empfindlichkeit.
4. Resistiver Foliendrucksensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Enden (C, D) der beiden Leiterbahnen (6, 7) über eine Diode (8) miteinander verbunden sind.
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