DE10123627A1

DE10123627A1 - Sensorvorrichtung zum Erfassen einer mechanischen Deformation

Info

Publication number: DE10123627A1
Application number: DE10123627A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Mattes
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2001-05-15
Publication date: 2002-12-05
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: US6644126B2; DE10123627B4; US20020174708A1; JP2003042708A

Abstract

Die vorliegende Erfindung erschafft eine Sensorvorrichtung 1 zum Erfassen einer mechanischen Deformation eines Bauelementes, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, mit: einer Deformationseinrichtung 2, die ein deformierbares Polysiliziumteil 20 aufweist, das bei einer Deformation eine elektrische Widerstandsänderung erfährt; und mit einer elektrischen Leitungsanordnung 31, 33 zum analogen Übertragen von Widerstandsänderungsdaten des Polysiliziumteils 20 von der Deformationseinrichtung 2 an eine Zentraleinheit 4.

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer mechanischen Deformation eines Bauele mentes.

Obwohl auf beliebige Bauelemente anwendbar, werden die vor liegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problema tik in Bezug auf ein Bauelement im Kraftfahrzeugbereich er läutert.

Allgemein ist es für einen Insassenschutz im Kraftfahrzeug bereich erforderlich, einen Aufprall bzw. Zusammenstoß des Kraftfahrzeuges mit einem Hindernis rechtzeitig zu detek tieren und entsprechende Insassenschutzanwendungen zu akti vieren. Dabei finden neben Beschleunigungssensorvorrichtun gen auch Verformungs- bzw. Deformationssensorvorrichtungen häufig Verwendung.

Nach dem Stand der Technik basieren die eingesetzten Ver formungssensorvorrichtungen auf Metallschicht-Dehnmess streifen (DMS). Die Metallschicht-Dehnmessstreifen werden beispielsweise auf ein Türverstärkungselement des Kraft fahrzeuges aufgenietet und dienen als zusätzliche Detekto ren zu den peripheren seitenaufprallerkennenden Beschleuni gungssensoren für eine Erfassung einer Deformation der Tür infolge eines Zusammenpralls der selben mit einem Hinder nis, wobei kürzere Auslösezeiten für die entsprechenden Schutzanwendungen ermöglicht werden sollen.

Typische Metallschicht-Dehnmessstreifen bestehen beispiels weise aus Konstantan- oder Nickel-Chrom-Schichten. Aufgrund einer mechanischen Deformation des Metallschicht- Dehnmessstreifens verändert sich dessen elektrischer Wider stand. Der Quotient aus prozentualer Widerstandsänderung und prozentualer Längenänderung wird k-Faktor genannt und beträgt für die oben genannten Beispiele in etwa 2. Übli cherweise werden Metallschicht-Dehnmessstreifen so dimensi oniert, dass sich bei einem vollen Messbereich ein Skalen faktor von 2 mV/V ergibt. Dies ist allerdings lediglich ein geringes Nutzsignal.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problema tik besteht also allgemein darin, dass aufgrund des gerin gen Nutzsignals eine Vorverstärkung vor Ort und eine geeig nete, digitale Schnittstelle für eine Übertragung der ent sprechenden Widerstandsänderungsdaten zur Zentraleinheit benötigt wird.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber dem bekannten Lösungsansatz den Vorteil auf, dass eine kostenoptimierte Deformations sensorvorrichtung beispielsweise zur Seitenaufprallerken nung realisierbar ist, die ein genügend großes Widerstands änderungssignal aufgrund einer mechanischen Deformation liefert, das für eine Auswertung analog zu einer Zentral einheit übertragbar ist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee be steht darin, dass die Sensorvorrichtung eine Deformations einrichtung, die ein deformierbares Polysiliziumteil auf weist, das bei einer Deformation eine elektrische Wider standsänderung erfährt; und eine elektrische Leitungsanord nung zum analogen Übertragen von Widerstandsänderungsdaten des Polysiliziumteils von der Deformationseinrichtung an eine Zentraleinheit aufweist.

Bei einer Deformation des Polysiliziumteils erhält man ein Nutzsignal aufgrund der Widerstandsänderung, das auch ohne einer Vorverstärkung vor Ort für eine analoge Übertragung zu einer Zentraleinheit groß genug ist. Somit können auf teure, zusätzliche elektronische Bauelemente verzichtet werden und eine kostenoptimierte und kompaktere Sensorvor richtung hergestellt werden.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil dungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Sensorvorrichtung.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Polysilizium teil als Polysilizium-Dehnmessstreifen (DMS) ausgebildet. Es genügt oftmals, eine Deformation entlang einer bestimm ten Strecke zu erfassen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besitzt der Polysilizium-Dehnmessstreifen einen k-Faktor von bis zu 40. Somit erhält man eine derart große Widerstandsänderung, dass das Nutzsignal ohne Vorverstärkung analog an eine Zentraleinheit übertragbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besitzt der Polysilizium-Dehnmessstreifen mittels geeigneter Dotierung einen k-Faktor, der im wesentlichen unabhängig von der Tem peratur des Polysilizium-Dehnmessstreifens ist. Durch diese Unempfindlichkeit des k-Faktors von der Temperatur erreicht man eine größere Sicherheit der Messwerte.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Deformationseinrichtung einen Träger auf, auf dem sich eine Kaptonfolie oder dergleichen befindet, auf der wiederum der Polysilizium-Dehnmessstreifen aufgeklebt ist und in der die entsprechenden elektrischen Leitungen bzw. Leitungskontakte integrierbar sind. Dies stellt ein besonders kostengünsti gen und fertigungseinfachen Aufbau dar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind auf der Kaptonfolie Kontaktstellen bzw. Bondpads für eine Kontak tierung der entsprechenden elektrischen Verbindungen ange ordnet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Deformationseinrichtung eine gelartige Abdeckung auf, die sowohl einem mechanischen als auch elektrischen Schutz dient.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die De formationseinrichtung horizontal in einem Türverstärkungs element eines Kraftfahrzeuges angeordnet. Dabei genügt für eine eindimensionale Verformungsmessung beispielsweise des Türverstärkungselementes eine Messung der mechanischen De formation entlang einer bestimmten Linie.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Po lysilizium-Dehnmessstreifen als Rheostat beschaltet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Wi derstandsänderungsdaten über zwei verdrillte Leitungen an die Zentraleinheit übertragbar. Die verdrillten Leitungen verhindern eine Einkopplung von elektromagnetischen Störun gen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Sensorvorrichtung mindestens eine Filtereinrichtung für insbesondere eine Hochpassfilterung von vorbestimmten Stör größen auf. Da die Auswertung von Crash-Signalen bei einem Zusammenstoß mit einem Hindernis rein dynamisch erfolgt, müssen andere dynamische hochfrequenten Störungen minimiert werden, die unter Umständen eine falsche Messauswertung hervorrufen.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenquerschnittsansicht einer Sensorvor richtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Sensorvorrichtung in Fig. 1; und

Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild der Beschaltung der Sensorvorrichtung in den Fig. 1 und 2 mit ei ner Zentraleinheit.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche o der funktionsgleiche Komponenten.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Seitenquerschnittsansicht bzw. eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Die Sensorvorrichtung 1 weist einen Träger in Form eines Bodenblechs 21 auf, der gemäß dem vorliegenden Ausführungs beispiel aus zwei zueinander axial verschobenen ebenen Teilabschnitten besteht, die über einen Steg miteinander verbunden sind. Der eine Abschnitt umfasst eine Deformati onseinrichtung 2 und der andere Abschnitt gemäß dem vorlie genden Ausführungsbeispiel einen zweipoligen Stecker 26, der in einer Ausnehmung des Bodenblechs 21 mittels einer Rasteinrichtung 27 verrastet ist.

Auf dem die Deformationseinrichtung 2 aufweisenden ebenen Abschnitt des Bodenblechs 21 ist beispielsweise eine ein seitig kupferkaschierte Kaptonfolie 22 aufgeklebt, in der die Topologie vorteilhaft durch Ätzverfahren auf der Ober fläche integriert ist.

Die aufgeklebte Kaptonfolie 22 dient einerseits als Isola tionsschicht zwischen dem Polysilizium-Dehnmessstreifen 20 und dem Bodenblech 21 und andererseits als Träger der Schaltungstopologie. Auf dem Polysilizium-Dehnmessstreifen 20 sind direkt Kontaktierpads zur Kontaktierung zweier Ste ckerfahnen 3 über Bonds 23 vorgesehen.

Auf der Kaptonfolie 22 wiederum ist ein Polysilizium- Dehnmessstreifen (DMS) 20 aufgeklebt.

Der Polysilizium-Dehnmessstreifen 20 erfährt bei einer pro zentualen Längenänderung von 1% etwa eine prozentuale Wi derstandsänderung von bis zu 40%. Daraus ergibt sich der sogenannte k-Faktor, der den Quotienten aus prozentualer Widerstandsänderung und prozentualer Längenänderung bei me chanischer Deformation beschreibt, von bis zu 40.

Durch Anlegen einer Gleichspannung an den Polysilizium- Dehnmessstreifen 20 können über die Bonds 23 und die daran angeschlossene Kontaktierfahnen 3 des zweipoligen Steckers 26 die Daten der Widerstandsänderung von dem Polysilizium- Dehnmessstreifen 20 an eine mit dem Stecker 26 verbundene Zentraleinheit (nicht dargestellt) übertragen und ausgewer tet werden.

Für eine mechanische als auch elektrische Abdeckung bzw. Schutzvorrichtung ist dieser Teil der Sensorvorrichtung 1 mit einer gelartigen Abdeckung 25 abgedeckt.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer Beschaltung der Sensor vorrichtung 1 mit der Zentraleinheit 4 gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Für ein Ermöglichen eines in etwa konstanten k-Faktors, der im wesentlichen unabhängig von Temperaturschwankungen und Alterung des Polysilizium-Dehnmessstreifens 20 ist, wird das Polysilizium mit geeigneten Dotierungsmaterialien do tiert. Dadurch können der Polysilizium-Dehnmessstreifen- Empfindlichkeitstemperaturgang und seine Alterung in ver träglichen Grenzen gehalten werden.

Vorteilhaft wird die Deformationseinrichtung 2 mittels des Bodenblechs 21 an dem zu vermessenden Bauteil angebracht, beispielsweise horizontal an einem Türverstärkungselement eines Kraftfahrzeuges. Dabei genügt oftmals eine eindimen sionale Deformationsmessung, bei der entlang einer vorbe stimmten Linie eine Verformung des Bauelementes gemessen wird. Zusätzlich kann anhand der ausgewerteten Widerstands änderungsdaten erfasst werden, inwiefern eine Stauchung o der eine Dehnung des Polysilizium-Dehnmessstreifens 20 vor liegt, d. h. um was für eine Art von Deformation es sich bei dem entsprechenden Bauelement handelt.

Die Sensorvorrichtung 1 besteht in dem elektrischen Schalt bild gemäss Fig. 3 aus dem Polysilizium-Dehnmessstreifen- Widerstand 10, der vorteilhaft als Rheostat verschaltet und dessen Ausgangssignal über zwei verdrillte Leitungen 31, beispielsweise 30 Schläge pro Meter, analog zu einer Zent raleinheit 4 übertragen wird. Dadurch kann auf eine zusätz liche Elektronik in der ausgelagerten Sensorvorrichtung 1 für eine Vorverstärkung und für eine digitale Umwandlung verzichtet werden, da aufgrund des hohen k-Faktors von 40 genügend große Nutzsignale auch ohne einer solchen zur Ver fügung stehen.

Die zwei verdrillten Leitungen 31 bewirken, dass elektro magnetische Störeinkopplungen aufgrund induzierter Spannun gen im wesentlichen vermieden bzw. abgeschirmt werden.

Die Zentraleinheit 4 weist eine Spannungsquelle U_Stab für eine stabilisierte Spannungsversorgung des Polysilizium- Dehnmessstreifens 20 auf. Der andere Anschluss des Polysi lizium-Dehnmessstreifens 20 liegt an Masse an. Die Versor gungsspannung U_Stab ist über einen Vorwiderstand 41 ge schützt, der für eine Ausgangssignaloptimierung vorteilhaft denselben Widerstandswert aufweist wie der Polysilizium- Dehnmessstreifen-Nennwiderstand.

Ferner enthält die Zentraleinheit 4 eine Verstärkereinrich tung 40, die das analoge Nutzsignal des Polysilizium- Dehnmessstreifens 20 verstärkt und einer Hochpassfilterung unterzieht. Die so gewonnene Ausgangsspannung U_OUT wird mit tels einem A/D-Konverter (nicht dargestellt) in ein digita les Nutzsignal umgewandelt. Dieses Nutzsignal wird an schließend einer Controller-Vorrichtung mit einem entspre chenden Algorithmus zugeführt, die daraufhin gegebenenfalls eine entsprechende Insassenschutzanwendung aktiviert.

Die in der Beschaltung gemäß Fig. 3 zusätzlich dargestell ten EMV-Kondensatoren dienen einem Kurzschließen von stö renden Hochfrequenzsignalen, die beispielsweise von Leitun gen bzw. Antennen hervorgerufen werden.

Aufgrund der rein dynamischen Auswertung von Crashsignalen ist das Auswerteverfahren unabhängig von einem langsamen temperatur- oder alterungsbedingten Weglaufen des Wider standswertes des Polysilizium-Dehnmessstreifen-Widerstandes 10 (Offset-Wert des Widerstands 10). Allerdings können hochfrequente Störsignale die Messergebnisse verfälschen und im worst case eine unerwünschte Auslösung einer ent sprechenden Schutzanwendung verursachen. Daher ist die oben beschriebene Hochfrequenzfilterung für eine Verbesserung der Messergebnisse vorteilhaft.

Die Zentraleinheit 4 weist gemäß dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel zusätzlich eine Software-Hochpassfilterein richtung auf, die Signale mit einem vorbestimmten Störungs verlauf, der untypisch für einen Aufprall ist, zur Verhin derung einer Fehlauslösung von Insassenschutzanwendungen mittels einem Softwarefilter aus dem eigentlichen Nutzsig nal herausfiltert. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Systems weiter erhöht.

Im Folgenden wird die Beschaltung der Sensorvorrichtung an hand eines Zahlenbeispiels näher erläutert.

Beispielsweise beträgt die Versorgungsspannung U_Stab 5 V. Aufgrund der Spannungsteilung des Widerstandes 10 des Poly silizium-Dehnmessstreifens 20 und des Vorwiderstandes 41 der Zentraleinheit 4, die beide gemäß dem vorliegenden Zah lenbeispiel den gleichen niederohmigen Widerstandswert von z. B. 250 Ohm besitzen, erhält man eine Referenzspannung U_REF von 2,5 V am Widerstand 10 des Polysilizium- Dehnmessstreifens 20. Da der k-Faktor des Polysilizium- Dehnmessstreifens 20 einen Wert von etwa 40 aufweist, er hält man optimalerweise bei einer prozentualen Längenände rung von 1% eine Spannungsänderung am Widerstand 10 von etwa 0,4 Volt. Dabei ist die Referenzspannung U_REF derart gewählt, dass sowohl bei einer Stauchung als auch bei einer Dehnung des Dehnmessstreifens 20 die anliegende Spannung sich stets im positiven Bereich, d. h. um U_Stab/2 herum, be wegt. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Elektronikaus legung, die zudem technisch einfacher zu realisieren ist.

Somit schafft die vorliegende Erfindung eine Sensorvorrich tung, mit der ohne einer vorgeschalteten Vorverstärkung ein genügend großes Nutzsignal bei einer mechanischen Deforma tion erzeugt wird, das somit analog an eine Zentraleinheit übertragen werden kann. Dadurch wird eine teure Elektronik im ausgelagerten Deformationssensor eingespart und insge samt eine kostengünstige und technisch einfach realisierba re Deformationssensorvorrichtung vorgeschlagen. Zusätzlich können durch eine entsprechende Beschaltung Nutzsignale von Störsignalen getrennt und die Sicherheit eines solchen Sys tems erhöht werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo difizierbar.

Beispielsweise kann der Vorwiderstand zur Spannungsteilung anstatt in der Zentraleinheit 4 auch in der Sensorvorrich tung 1 vorgesehen sein.

Die Bondpads können entweder auf der Kaptonfolie oder di rekt auf dem Polysilizium-Dehnmessstreifen vorgesehen sein.

Ferner sind die Kondensatoren für Filtermaßnahmen lediglich optional und nicht zwingend erforderlich.

Claims

1. Sensorvorrichtungen (1) zum Erfassen einer mechani schen Deformation eines Bauelementes, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, mit:
einer Deformationseinrichtung (2), die ein deformierbares Polysiliziumteil (20) aufweist, das bei einer Deformation eine elektrische Widerstandsänderung erfährt; und
einer elektrischen Leitungsanordnung (33) zum analogen Ü bertragen von Widerstandsänderungsdaten des Polysilizium teils (20) von der Deformationseinrichtung (2) an eine Zentraleinheit (4).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polysiliziumteil (20) als Polysilizium- Dehnmessstreifen (DMS) (20) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polysilizium-Dehnmessstreifen (20) einen k-Faktor von etwa 40 besitzt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polysilizium- Dehnmessstreifen (20) mittels geeigneter Dotierung einen k- Faktor besitzt, der im wesentlichen unabhängig von der Tem peratur des Polysilizium-Dehnmessstreifens ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehender Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationseinrichtung (2) einen Träger (21) aufweist, auf dem sich eine Kaptonfo lie (22) oder dergleichen befindet, auf der wiederum der Polysilizium-Dehnmessstreifen (20) aufgeklebt ist und in der die entsprechende Topologie integrierbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kaptonfolie (22) und den Steckerfahnen (3) Kontaktstellen bzw. Bondpads für eine Herstellung der ent sprechenden elektrischen Verbindungen über Bonds (23) ange ordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationseinrichtung (2) eine gelartige Abdeckung (25) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationseinrichtung (2) horizontal in einem Türverstärkungselement eines Kraft fahrzeuges angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polysilizium- Dehnmessstreifen als Rheostat beschaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsänderungsdaten über zwei verdrillte Leitungen (31) an die Zentraleinheit (4) übertragbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Filtereinrichtung (40) für insbesondere eine Hochpass-Filterung von vorbestimmten Störsignalen.