DE10123627B4

DE10123627B4 - Sensorvorrichtung zum Erfassen einer mechanischen Deformation eines Bauelementes im Kraftfahrzeugbereich

Info

Publication number: DE10123627B4
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: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2021-05-16
Also published as: US20020174708A1; DE10123627A1; JP2003042708A; US6644126B2

Abstract

Sensorvorrichtung (1) zum Erfassen einer mechanischen Deformation eines Bauelementes im Kraftfahrzeugbereich mit:
einer Deformationseinrichtung (2), die ein deformierbares Polysiliziumteil aufweist, das bei einer Deformation eine elektrische Widerstandsänderung erfährt; und einer elektrischen Leitungsanordnung (33) zum analogen Übertragen von Widerstandsänderungsdaten des Polysiliziumteils von der Deformationseinrichtung (2) an eine Zentraleinheit (4), wobei das Polysiliziumteil als Polysilizium-Dehnmessstreifen (20) ausgebildet ist, wobei der Polysilizium-Dehnmessstreifen als Rheostat beschaltet ist und die Deformationseinrichtung (2) horizontal in einem Türverstärkungselement als Bauelement des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen einer mechanischen Deformation eines Bauelements, im Kraftfahrzeugbereich gemäß Patentanspruch 1.
Allgemein ist es für einen Insassenschutz im Kraftfahrzeugbereich erforderlich, einen Aufprall bzw. Zusammenstoß des Kraftfahrzeuges mit einem Hindernis rechtzeitig zu detektieren und entsprechende Insassenschutzanwendungen zu aktivieren. Dabei finden neben Beschleunigungssensorvorrichtungen auch Verformungs- bzw. Deformationssensorvorrichtungen häufig Verwendung.
Nach dem Stand der Technik basieren die eingesetzten Verformungssensorvorrichtungen auf Metallschicht-Dehnmess streifen (DMS). Die Metallschicht-Dehnmessstreifen werden beispielsweise auf ein Türverstärkungselement des Kraftfahrzeuges aufgenietet und dienen als zusätzliche Detektoren zu den peripheren seitenaufprallerkennenden Beschleunigungssensoren für eine Erfassung einer Deformation der Tür infolge eines Zusammenpralls derselben mit einem Hindernis, wobei kürzere Auslösezeiten für die entsprechenden Schutzanwendungen ermöglicht werden sollen.
Typische Metallschicht-Dehnmessstreifen bestehen beispielsweise aus Konstantan- oder Nickel-Chrom-Schichten. Aufgrund einer mechanischen Deformation des Metallschicht-Dehnmessstreifens verändert sich dessen elektrischer Widerstand. Der Quotient aus prozentualer Widerstandsänderung und prozentualer Längenänderung wird k-Faktor genannt und beträgt für die oben genannten Beispiele in etwa 2. Üblicherweise werden Metallschicht-Dehnmessstreifen so dimensioniert, dass sich bei einem vollen Messbereich ein Skalenfaktor von 2 mV/V ergibt. Dies ist allerdings lediglich ein geringes Nutzsignal.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problematik besteht also allgemein darin, dass aufgrund des geringen Nutzsignals eine Vorverstärkung vor Ort und eine geeignete, digitale Schnittstelle für eine Übertragung der entsprechenden Widerstandsänderungsdaten zur Zentraleinheit benötigt wird.

Aus DE 41 30 044 A1 ist ein Halbleiterdrucksensor bekannt, bei dem Dehnungsmeßstreifen aus Polysilizium-Widerständen auf einer Membran ausgebildet sein können. Aus DE 33 17 601 A1 sind Dehnungsmeßstreifen bekannt, die aus Polysilizium hergestellt sind. Aus Elektronik, Produktion und Prüftechnik, Dezember 1982, Seiten 783 und 784 ist die Technologie und elektrische Eigenschaften von Polysilizium-Sensoren, insbesondere auf Dünnfilmbasis, bekannt. Aus DE 197 09 913 C2 ist eine Anordnung zur Messung und Steuerung oder Regelung der Auslenkung von mikromechanischen Spiegelanordnungen bekannt, die Piezowiderstände aus Polysilizium aufweist. Auch eine auswertende Meßschaltung ist vorhanden.

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass eine kostenoptimierte Deformationssensorvorrichtung zur Seitenaufprallerkennung realisierbar ist, die ein genügend großes Widerstandsänderungssignal aufgrund einer mechanischen Deformation liefert, das für eine Auswertung analog zu einer Zentraleinheit übertragbar ist.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, dass die Sensorvorrichtung eine Deformationseinrichtung, die ein deformierbares Polysiliziumteil aufweist, das bei einer Deformation eine elektrische Widerstandsänderung erfährt und eine elektrische Leitungsanordnung 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 eine 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 Sensorvorrichtung hergestellt werden.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Patentanspruch 1 angegebenen Sensorvorrichtung.

Gemäß einer 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 Temperatur 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 befindet, auf der wiederum der Polysilizium-Dehnmessstreifen aufgeklebt ist und in der die entsprechenden elektrischen Leitungen bzw. Leitungskontakte integrierbar sind. Dies stellt ein besonders kostengünstigen und fertigungseinfachen Aufbau dar.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind auf der Kaptonfolie Kontaktstellen bzw. Bondpads für eine Kontaktierung der entsprechenden elektrischen Verbindungen angeordnet.

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 sind die Widerstandsänderungsdaten über zwei verdrillte Leitungen an die Zentraleinheit übertragbar. Die verdrillten Leitungen verhindern eine Einkopplung von elektromagnetischen Störungen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Sensorvorrichtung mindestens eine Filtereinrichtung für insbesondere eine Hochpassfilterung von vorbestimmten Störgrößen 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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Seitenquerschnittsansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Draufsicht auf die Sensorvorrichtung in 1; und
3 ein elektrisches Schaltbild der Beschaltung der Sensorvorrichtung in den 1 und 2 mit einer Zentraleinheit.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Die 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 Ausführungsbeispiel aus zwei zueinander axial verschobenen ebenen Teilabschnitten besteht, die über einen Steg miteinander verbunden sind. Der eine Abschnitt umfasst eine Deformationseinrichtung 2 und der andere Abschnitt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen zweipoligen Stecker 26, der in einer Ausnehmung des Bodenblechs 21 mittels einer Rasteinrichtung 27 verrostet ist.
Auf dem die Deformationseinrichtung 2 aufweisenden ebenen Abschnitt des Bodenblechs 21 ist beispielsweise eine einseitig kupferkaschierte Kaptonfolie 22 aufgeklebt, in der die Topologie vorteilhaft durch Ätzverfahren auf der Oberfläche integriert ist.
Die aufgeklebte Kaptonfolie 22 dient einerseits als Isolationsschicht 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 Steckerfahnen 3 über Bonds 23 vorgesehen.
Auf der Kaptonfolie 22 wiederum ist ein Polysilizium-Dehnmessstreifen (DMS) 20 aufgeklebt.
Der Polysilizium-Dehnmessstreifen 20 erfährt bei einer prozentualen Längenänderung von 1 % etwa eine prozentuale Widerstandsänderung von bis zu 40 %. Daraus ergibt sich der sogenannte k-Faktor, der den Quotienten aus prozentualer Widerstandsänderung und prozentualer Längenänderung bei mechanischer 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 ausgewertet werden.
Für eine mechanische als auch elektrische Abdeckung bzw. Schutzvorrichtung ist dieser Teil der Sensorvorrichtung 1 mit einer gelartigen Abdeckung 25 abgedeckt.
3 zeigt ein Schaltbild einer Beschaltung der Sensorvorrichtung 1 mit der Zentraleinheit 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel 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 dotiert. Dadurch können der Polysilizium-Dehnmessstreifen-Empfindlichkeitstemperaturgang und seine Alterung in verträglichen Grenzen gehalten werden.
Die Deformationseinrichtung 2 wird mittels des Bodenblechs 21 an einem Türverstärkungselement eines Kraftfahrzeuges horizontal angebracht. Dabei genügt oftmals eine eindimensionale Deformationsmessung, bei der entlang einer vorbestimmten Linie eine Verformung des gemessen wird. Zusätzlich kann anhand der ausgewerteten Widerstands änderungsdaten erfasst werden, inwiefern eine Stauchung oder eine Dehnung des Polysilizium-Dehnmessstreifens 20 vorliegt, d. h. um was für eine Art von Deformation es sich bei dem entsprechenden Bauelement handelt.
Die Sensorvorrichtung 1 besteht in dem elektrischen Schaltbild gemäss 3 aus dem Widerstand 10 des Polysilizium-Dehnmessstreifens 20, als Rheostat verschaltet und dessen Ausgangssignal über zwei verdrillte Leitungen 31 einer elektrischen Leitungsanordnung 33, beispielsweise 30 Schläge pro Meter, analog zu einer Zentraleinheit 4 übertragen wird. Dadurch kann auf eine zusätzliche 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 Verfügung stehen.
Die zwei verdrillten Leitungen 31 bewirken, dass elektromagnetische Störeinkopplungen aufgrund induzierter Spannungen 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 Polysilizium-Dehnmessstreifens 20 liegt an Masse an. Die Versorgungsspannung U_Stab ist über einen Vorwiderstand 41 geschützt, der für eine Ausgangssignaloptimierung vorteilhaft denselben Widerstandswert aufweist wie der Polysilizium-Dehnmessstreifen-Nennwiderstand.
Ferner enthält die Zentraleinheit 4 eine Verstärkereinrichtung 40, die das analoge Nutzsignal des Polysilizium-Dehnmessstreifens 20 verstärkt und einer Hochpassfilterung unterzieht. Die so gewonnene Ausgangsspannung U_OUT wird mittels einem A/D-Konverter (nicht dargestellt) in ein digitales Nutzsignal umgewandelt. Dieses Nutzsignal wird anschließend einer Controller-Vorrichtung mit einem entsprechenden Algorithmus zugeführt, die daraufhin gegebenenfalls eine entsprechende Insassenschutzanwendung aktiviert.
Die in der Beschaltung gemäß 3 zusätzlich dargestellten EMV-Kondensatoren dienen einem kurzschließen von störenden Hochfrequenzsignalen, die beispielsweise von Leitungen bzw. Antennen hervorgerufen werden.
Aufgrund der rein dynamischen Auswertung von Crashsignalen ist das Auswerteverfahren unabhängig von einem langsamen temperatur- oder alterungsbedingten Weglaufen des Widerstandswertes des Polysilizium-Dehnmessstreifen-Widerstandes 10 (Offset-Wert des Widerstands 10). Allerdings können hochfrequente Störsignale die Messergebnisse verfälschen und eine unerwünschte Auslösung einer entsprechenden Schutzanwendung verursachen. Daher ist die oben beschriebene Hochfrequenzfilterung für eine Verbesserung der Messergebnisse vorteilhaft.
Die Zentraleinheit 4 weist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Software-Hochpassfiltereinrichtung auf, die Signale mit einem vorbestimmten Störungsverlauf, der untypisch für einen Aufprall ist, zur Verhinderung einer Fehlauslösung von Insassenschutzanwendungen mittels einem Softwarefilter aus dem eigentlichen Nutzsignal herausfiltert. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Systems weiter erhöht.
Im Folgenden wird die Beschaltung der Sensorvorrichtung anhand eines Zahlenbeispiels näher erläutert.
Beispielsweise beträgt die Versorgungsspannung U_Stab 5 V. Aufgrund der Spannungsteilung des Widerstandes 10 des Polysilizium-Dehnmessstreifens 20 und des Vorwiderstandes 41 der Zentraleinheit 4, die beide gemäß dem vorliegenden Zahlenbeispiel 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, erhält man optimalerweise bei einer prozentualen Längenänderung 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 Polysilizium-Dehnmessstreifens 20 die anliegende Spannung sich stets im positiven Bereich, d.h. um U_Stab/2 herum, bewegt. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Elektronikauslegung, die zudem technisch einfacher zu realisieren ist.
Somit schafft die vorliegende Erfindung eine Sensorvorrichtung, mit der ohne einer vorgeschalteten Vorverstärkung ein genügend großes Nutzsignal bei einer mechanischen Deformation erzeugt wird, das somit analog an eine Zentraleinheit übertragen werden kann. Dadurch wird eine teure Elektronik im ausgelagerten Deformationssensor eingespart und insgesamt eine kostengünstige und technisch einfach realisierbare Deformationssensorvorrichtung vorgeschlagen. Zusätzlich können durch eine entsprechende Beschaltung Nutzsignale von Störsignalen getrennt und die Sicherheit eines solchen Systems erhöht werden.
Der Vorwiderstand zur Spannungsteilung kann anstatt in der Zentraleinheit 4 auch in der Sensorvorrichtung 1 vorgesehen sein.
Die Bondpads können entweder auf der Kaptonfolie oder direkt auf dem Polysilizium-Dehnmessstreifen vorgesehen sein.
Ferner sind die Kondensatoren für Filtermaßnahmen lediglich optional und nicht zwingend erforderlich.

Claims

Sensorvorrichtung (1) zum Erfassen einer mechanischen Deformation eines Bauelementes im Kraftfahrzeugbereich mit: einer Deformationseinrichtung (2), die ein deformierbares Polysiliziumteil aufweist, das bei einer Deformation eine elektrische Widerstandsänderung erfährt; und einer elektrischen Leitungsanordnung (33) zum analogen Übertragen von Widerstandsänderungsdaten des Polysiliziumteils von der Deformationseinrichtung (2) an eine Zentraleinheit (4), wobei das Polysiliziumteil als Polysilizium-Dehnmessstreifen (20) ausgebildet ist, wobei der Polysilizium-Dehnmessstreifen als Rheostat beschaltet ist und die Deformationseinrichtung (2) horizontal in einem Türverstärkungselement als Bauelement des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Polysilizium-Dehnmessstreifen (20) einen k-Faktor von etwa 40 besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polysilizium-Dehnmessstreifen (20) mittels geeigneter Dotierung einen k-Faktor besitzt, der im wesentlichen unabhängig von der Temperatur des Polysilizium-Dehnmessstreifens ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationseinrichtung (2) einen Träger (Bodenblech 21) aufweist, auf dem sich eine Kaptonfolie (22) befindet, auf der wiederum der Polysilizium-Dehnmessstreifen (20) aufgeklebt ist und in der die entsprechende Topologie integrierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Kaptonfolie (22) und den Kontaktiorfahnen (3) Kontaktstellen oder Bondpads für eine Herstellung der entsprechenden elektrischen Verbindungen über Bonds (23) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deformationseinrichtung (2) eine gelartige Abdeckung (25) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsänderungsdaten über zwei verdrillte Leitungen (31) an die Zentraleinheit (4) übertragbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorher ebenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Filtereinrichtung für insbesondere eine Hochpass-Filterung von vorbestimmten Störsignalen.