DE19525147A1 - Piezoelektrischer Biegesensor, insbesondere Serien-Bimorph-Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Biegesensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1

Derartige Sensoren weisen als Sensorelement ein an einer Referenzstelle me­ chanisch eingespanntes Biegeelement aus piezoelektrischem Material, z. B. eine Piezokeramik, bzw. eine Anordnung aus mehreren solchen Biegeele­ menten auf. Das Sensorelement wird bei auf dieses wirkenden Kräften oder Beschleunigungen ausgelenkt, wobei aufgrund des piezoelektrischen Effek­ tes eine Ladungsverschiebung resultiert, die an den Oberflächen der Biege­ elemente eine positive bzw. negative elektrische Ladung zur Folge hat. Die Ladungsmenge wird üblicherweise durch eine Spannungsmessung an der Ei­ genkapazität des Biegesensors bestimmt, wobei dann die gemessene elektri­ sche Spannung der Beschleunigung proportional ist und deshalb als Be­ schleunigungssignal bezeichnet wird.

Für Beschleunigungsmessungen eignen sich hierbei besonders gut soge­ nannte Antipol-Serien-Bimorph-Biegesensoren. Diese Sensoren bestehen aus einem Verbund aus einer durch zwei teilbaren Anzahl, einfacherweise zwei, Keramikbalken mit gegensinniger Polarisation, auf deren Balken-Verbin­ dungsseiten üblicherweise als dünne, elektrisch hochleitfähige Beschichtun­ gen ausgebildete Außenelektroden aufgebracht sind. Die gegensinnige Pola­ risation bedeutet, daß bei einer Biegung der Anordnung an den Außenseiten der Keramikbalken gleichsinnige Ladungen erzeugt werden. Das Beschleuni­ gungssignal wird zwischen den beiden Außenelektroden des Biegesensors abgegriffen.

Diese Serien-Bimorph-Biegesensoren sind kostengünstig herzustellen und weisen zusätzlich den Vorteil auf, daß infolge des pyroelektrischen Effektes erzeugte Spannungen zumindest ansatzweise kompensiert werden. Außer­ dem haben sie wegen ihrer gegenüber Axial- bzw. Kompressionssensoren geringeren Steifigkeit eine niedrigere Resonanzfrequenz und eine geringere mechanische und elektrische Impedanz. Insbesondere solche Serien-Bi­ morph-Biegesensoren sind als sogenannte Crash-Sensoren in Kraftfahrzeu­ gen vorteilhaft einzusetzen, um im Falle eines Aufprallunfalles des Kraftfahr­ zeuges z. B. eine Sicherheitseinrichtung, so etwa das Aufblasen eines Luftkis­ sens (Airbag) auszulösen, um den Fahrer bzw. die Fahrerin abzufangen und einen Zusammenprall mit Lenkrad, Windschutzscheibe etc. zu verhindern.

In Versuchen mit solchen Serien-Bimorph-Biegesensoren hat es sich gezeigt, daß trotz der ansatzweisen Kompensation des pyroelektrischen Effektes bei Temperaturänderungen Falschsignale auftreten, die zudem noch - aufgrund der Herstellungstoleranzen der Biegesensoren - von Exemplar zu Exemplar und über die Zeit stochastisch variieren. Die Amplituden der Falschsignale bei herkömmlichen Biegesensoren reichen zumindest teilweise in den Be­ reich der Nutzsignale und in den Bereich einer Schwellenspannung, bei der die Sicherheitseinrichtung ausgelöst wird. Es ist daher notwendig, zwischen Falsch- und Nutzsignalen zu diskriminieren.

Es ist zwar möglich, die Schwankungsbreite der Falschsignale durch entspre­ chende Verringerung der Fertigungstoleranzen zu verkleinern. Dies erhöht aber den Herstellungsaufwand, so daß der Vorteil der an sich kostengünsti­ gen Herstellung solcher Biegesensoren zumindest teilweise wieder zunichte gemacht wird.

Zur Diskrimination zwischen Falsch- und Nutzsignalen ist es bekannt, zwei physikalisch antiparallel angeordnete Biegesensoren vorzusehen, deren Si­ gnale in einem Mikroprozessor innerhalb der Auslöseschaltung für die Si­ cherheitseinrichtung ausgewertet werden. Anhand von Vergleichen und ei­ ner Plausibilitätsprüfung können Falschsignale ermittelt und verworfen wer­ den. Für diese Lösung ist somit ein Mehraufwand an Mechanik, Material und Elektronik erforderlich, der die Herstellungskosten beträchtlich erhöht.

Die zuvor geschilderten Charakteristiken von Serien-Bimorph-Biegesensoren treffen selbstverständlich auch für Multimorph-Sensoren zu, die aus mehr als zwei balkenförmigen Piezokeramiken mit abwechselnd antiparalleler Polari­ sation zusammengesetzt sind. Allerdings haben derartige Multimorph-Biege­ sensoren für die hier in Rede stehenden Anwendungszwecke nicht eine der­ artige Bedeutung wie die Bimorph-Biegesensoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Biegesensoren der in Rede ste­ henden Art und insbesondere Serien-Bimorph-Biegesensoren so zu modifi­ zieren, daß Falschsignale reduziert oder gar eliminiert werden können, so daß die Ausgangssignale des Biegesensors im wesentlichen frei von tempera­ turänderungsbedingten Falschsignalen sind. Durch die Modifikation sollen die Herstellungskosten nicht wesentlich erhöht werden, so daß Biegesenso­ ren als Massenware weiterhin kostengünstig produziert werden können.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß sind zwischen den Elektroden der einzelnen balkenförmigen Bie­ geelemente elektrische Ableitelemente vorgesehen, die mit den Außenelek­ troden der Biegebalken verbunden sind. Diese Ableitelemente sind z. B. ohmsche Widerstände oder nichtlineare spannungsabhängige Bauteile, ins­ besondere Dioden oder eine Kombination aus solchen Elementen.

Wie oben erwähnt, wurde bisher angenommen, daß die durch den pyroelek­ trischen Effekt innerhalb der Sensoranordnung erzeugten Spannungen durch die Bimorph- oder Multimorph-Struktur im wesentlichen kompensiert werden. Dies trifft jedoch nur für die Außenelektroden des Biegeelementes zu. Im Verbindungs- bzw. Anlagebereich zwischen den Piezokeramiken wer­ den jedoch bei Temperaturänderungen Ladungsdifferenzen und somit ein elektrisches Feld erzeugt, dessen Feldstärke von dem pyroelektrischen Koef­ fizienten der jeweiligen Piezokeramik und der Temperaturdifferenz ab­ hängt. Infolge des Aufbaues bzw. der Änderung dieses "Pyro-Feldes" ändert bzw. verschiebt sich einerseits die Polarisation der Piezokeramiken, d. h. die Aufladung an deren Oberflächen, obwohl der Sensor nicht durch eine Be­ schleunigung oder eine Kraft ausgelenkt wurde; andererseits baut sich die­ ses Pyro-Feld aufgrund der nicht spezifizierten und auch unterschiedlichen Eigenleitfähigkeit der verwendeten Keramikmaterialien mehr oder minder undefiniert ab. Die Eigenleitfähigkeit hängt zwar etwa exponentiell von der Temperatur ab, ist aber in ihrem absoluten Wert nicht spezifiziert, d. h., kann von Keramik zu Keramik variieren. Ist die Eigenleitfähigkeit der Piezoke­ ramiken unterschiedlich, fließt aufgrund dieser Effekte ein Strom durch den Sensor und den Entladewiderstand zwischen den beiden Außenelektroden. Der dadurch verursachte Spannungsabfall längs dieses Meßwiderstandes wird gemessen und als Nutzsignal registriert, obwohl es sich um ein Falschsi­ gnal handelt.

Es konnte festgestellt werden, daß abhängig vom Vorzeichen des Tempera­ turgradienten, d. h. abhängig vom Anstieg bzw. Abfall der Temperatur, der temperaturbedingte Auf- und Abbau des Pyro-Feldes einerseits die Steilheit der dielektrischen Hysteresekurve der Piezokeramik beeinflußt, daß es ande­ rerseits aber auch an ionisationsanfälligen Isolationsschwachstellen zu ein­ maligen oder iterativen Potentialentladungen, d. h. Spannungsüberschlä­ gen, insbesondere an den Rändern der Piezokeramiken kommt. Auch diese Partialentladungen führen zu Falschsignalspannungen zwischen den Außen­ elektroden, wobei diese Falschsignalspannungen mit einer durch die Eigen­ kapazität des Biegesensors, dem Selbstentlade- oder Innenwiderstand sowie dem externen Meßwiderstand bestimmten Zeitkonstante abklingen. In Un­ tersuchungen wurde festgestellt, daß die Falschspannungssignale für positi­ ve und negative Vorzeichen des Temperaturgradienten kritisch werden kön­ nen, d. h. daß durch sie eine Sicherheitseinrichtung eines Kraftfahrzeuges fälschlicherweise ausgelöst werden kann. Bei herkömmlichen Biegesensoren sind die Falschsignale insbesondere im niedrigen Temperaturbereich etwa unter 10°C und bei negativen Temperaturgradienten signifikant. Unter die­ sen Bedingungen wird das oben erwähnte Pyro-Feld nur relativ langsam ab­ gebaut.

Die Erfinder haben nun erkannt, daß das Pyro-Feld und dessen Feldstärke eine Schlüsselfunktion für die Erzeugung von Falschsignalen darstellen, und daß diese Falschsignale unterdrückt werden können, wenn definierte elek­ trische Ableitelemente vorgesehen werden, um den bei Temperaturände­ rungen über den pyroelektrischen Koeffizienten generierten "Pyrostrom" "rasch" abzuleiten.

Diese Ableitelemente sind z. B. ohmsche Widerstände, d. h. linear von der Spannung abhängige Ableitelemente. Sie haben vorzugsweise einen Wider­ standswert, der deutlich unter dem Wert des Innenwiderstandes der Piezo­ keramiken liegt und ausreichend über dem resultierenden Widerstandswert liegt, der zusammen mit der wirksamen Kapazität am Biegesensor (Eigenka­ pazität und ggf. zusätzlich parallelgeschaltete Kapazität) die untere Grenz­ frequenz des wie ein Hochpaß wirkenden piezoelektrischen Beschleuni­ gungssensors bildet. Typische Widerstandswerte für Bimorph-Biegesenso­ ren, die als Crash-Sensoren eingesetzt werden, liegen im Bereich von Giga­ ohm.

Die Ableitelemente können auch nichtlinear von der Spannung abhängige Komponenten aufweisen, in einfachster Form z. B. Dioden oder antiparallel geschaltete Dioden.

Eine Kombination dieser und anderer Ausführungen ist selbstverständlich möglich, sofern Sorge dafür getragen ist, daß das erwähnte Pyro-Feld im we­ sentlichen sogleich nach Erzeugung "rasch" abgebaut wird und damit nur geringen Einfluß auf die Meßsignale hat.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen von Serien-Bimorph-Biegesenso­ ren anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:

Fig. 1a und 1b eine schematische Ansicht bzw. Aufsicht eines Serien-Bi­ morph-Biegesensors gemäß der Erfindung, der einseitig eingespannt ist;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines mittig gehaltenen Biegesensors;

Fig. 3, 4, 5 und 6 schematische Darstellungen und Ersatzschaltbilder ei­ nes Biegesensors mit Ableitelementen zur Unterdrückung des "Pyro-Feldes" gemäß der Erfindung.

Ein piezoelektrischer Serien-Bimorph-Biegesensor 1 weist zwei balkenähnli­ che Biegeelemente 2, 3 auf, die unter mit ihren flachen elektrisch hochleitfä­ hig beschichteten Seiten aufeinandergelegt sind. Es bildet sich je eine Zwi­ schenelektrode 4. Die beiden Biegeelemente sind vorzugsweise mit einem elektrisch leitenden Kleber verklebt. Auf den Außenseiten der beiden Piezo­ keramiken 2, 3 sind jeweils Außenelektroden 5, 6, z. B. aufgedampfte Metall­ schichten, vorgesehen. Die Elektroden 4, 5 und 6 bedecken im wesentlichen die gesamte Flachseite der Piezokeramiken, wobei jedoch, wie in Fig. 1b angedeutet, zwischen den äußeren Rändern der Elektroden und dem äuße­ ren Rand der Piezokeramiken ein kleiner Freiraum 7 verbleiben kann.

Die Dimensionen der Piezokeramiken sind in dieser Figur und auch in den weiteren Figuren nicht maßstabsgerecht dargestellt; für einen Crash-Sensor haben die Piezokeramiken z. B. eine Breite von 4 mm, eine Länge bis zu 10 mm und eine Dicke von 400 µm, d. h. etwa ½ mm.

Die Anordnung aus den zwei Piezokeramiken 2, 3 und den Elektroden 4, 5, 6 ist beispielsweise an einem Ende in einen Sockel 8 eingespannt, so daß das andere freie Ende, wie in Fig. 1 gestrichelt dargestellt, durch Beschleuni­ gungen oder Kräfte um ein gewisses Maß d ausgelenkt werden kann.

Die Piezokeramiken sind in Höhenrichtung gegensinnig polarisiert, was durch die kleinen aufwärts bzw. abwärts gerichteten Pfeile in der oberen Piezokeramik 2 bzw. der unteren Piezokeramik angedeutet ist. Bei einer Aus­ lenkung wird der Biegesensor um die neutrale Faser gebogen. Dadurch wird beim Bimorph-Sensor jeweils einer der beiden Balken gedreht und der ande­ re komprimiert. Durch die unterschiedliche Polarisationsrichtung addieren sich die auf den einzelnen Balken durch Beschleunigungseinwirkung entste­ henden Spannungen vorzeichenrichtig zum Beschleunigungssignal, das an Anschlüssen 10, 11, die mit den Elektroden 5 und 6 verbunden sind, abge­ nommen wird. Ein weiterer Anschluß 9 für die Zwischenelektrode 4 ist vor­ gesehen.

In Fig. 2 sind Piezokeramiken 2, 3 mit ihren Elektroden 4, 5 und 6 eines mo­ difizierten Biegesensors 1′ dargestellt, wobei diese Piezokeramikanordnung mittig auf einem Sockel 8′ abgestützt ist, so daß bei Einwirkung von Be­ schleunigungen oder Kräften die beiden freien Außenenden der Piezokera­ mikanordnung ausgelenkt werden. Ebenso sind wiederum die Anschluß­ punkte 10 und 11 für das Beschleunigungssignal und der Anschlußpunkt 9 die Zwischenelektrode 4 dargestellt.

Die Polarisationen P der beiden Piezokeramiken sind in der Figur wiederum durch kleine Pfeile angedeutet, deren Spitzen somit entweder auseinander­ weisen oder entgegengerichtet sind.

In dem Ersatzschaltbild in Fig. 3 sind nochmals die beiden Piezokeramiken 2 und 3 mit der Zwischenelektrode 4 und den Außenelektroden 5 sowie 6 gezeigt. Ebenso sind nochmals dargestellt die Anschlußpunkte 9, 10, 11 sowie zwei Ableitelemente 18, die z. B. ohmsche Widerstände sind. Diese beiden Widerstände 18 sind zwischen den Anschlußpunkten 10 und 11 in Serie geschaltet, wobei der Anschluß 9 der Zwischenelektrode mit dem Mittelpunkt zwischen den beiden Widerständen verbunden ist. Wird bei Temperaturänderungen zwischen den beiden Piezokeramiken 2 und 3 das oben erwähnte Pyro-Feld erzeugt, so werden die dabei generierten Ladungen über die Ableitelemente 18 abgeführt. Eine Verfälschung des Meßsignales kommt somit nicht zustande.

In dem Ersatzschaltbild nach Fig. 4 ist das eine Ableitelement 18 wie in Fig. 3 zwischen der dem Anschlußpunkt für die Zwischenelektrode 9 und dem Abschlußpunkt 10 geschaltet, während ein zweites Ableitelement 19 zwischen diesem Anschlußpunkt 10 und dem Anschlußpunkt 11 liegt. Die bei­ den Ableitelemente können wiederum ohmsche Widerstände sein.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist jeweils zwischen dem An­ schlußpunkt 9 für die Zwischenelektrode und den Anschlußpunkten 10 und 11 ein Ableitelement 18′′ zur Außenelektrode 5 der ersten Piezokeramik und ein zweites Ableitelement 18′′ zur Außenelektrode 6 der zweiten Piezokera­ mik 3 geführt. Das Ableitelement 18′′ ist eine Parallelschaltung, in deren er­ stem Zweig ein ohmscher Widerstand 21 und in deren zweitem Zweig eine Serienschaltung aus einem ohmschen Widerstand 22 und einer spannungs­ abhängigen Diode 23, z. B. einer Zenerdiode oder antiparallel geschalteten Dioden, gelegen sind. Die Dioden 23 sind ein einfaches Beispiel für nichtli­ neare spannungsabhängige Ableitelemente. Der Einsatz derartiger Ableitele­ mente mit nichtlinearer Kennlinie ermöglicht es, eine beschleunigungsam­ plitudenabhängige untere Grenzfrequenz der Empfindlichkeit des mit den Ableitelementen beschalteten Biegesensors einzustellen.

In Fig. 6 ist ein Serien-Multimorph-Sensor dargestellt, der aus zwei Paaren von aufeinandergeschichteten Biegesensoren mit Biegebalken 2a, 3a bzw. 2b, 3b zusammengesetzt ist. Die durch kleine Pfeile angedeuteten Polarisa­ tionseinrichtungen sind wiederum entgegengesetzt. Jeweils zwischen ein­ zelnen Biegebalken sind Zwischenelektroden 4 angeordnet, die mit An­ schlußpunkten 9 verbunden sind. Die Außenelektroden 5 und 6 sind mit An­ schlußpunkten 10 und 11 verbunden. Zwischen den Anschlußpunkten 10 und 11 ist eine Kette von in diesem Falle vier Ableitelementen 18 gelegen, wobei mit dem gemeinsamen Anschlußpunkt jeweils zweier benachbarter Ableitelemente die Anschlußpunkte 9 verbunden sind.

Die erwähnten Ableitelemente können als separate Schaltungselemente se­ pariert werden; es ist jedoch auch möglich, die Funktion der elektrischen Ab­ leitelemente durch geeignete Dotierung des Piezomaterials der Biegebalken mit Fremdatomen in den einzelnen Biegebalken monolithisch zu implemen­ tieren.

Die Polarisierung der einzelnen Biegeelemente kann vor der Herstellung der gesamten Verbundanordnung erfolgen oder erst nach der Herstellung der Verbundanordnung. Diese Verbundanordnung kann auch mit in der Halblei­ terindustrie angewendeten Planarverfahren in monolithischer Form einzeln und/oder im Nutzen aus der Fest- und/oder Flüssigkeits- und/oder Dampf­ und/oder Gasphase erfolgen.

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Biegesensor zum Messen von Beschleunigungen, insbe­ sondere zur Verwendung in Sicherheitseinrichtungen für Kraftfahrzeuge, be­ stehend aus einem Verbund aus einer durch zwei teilbaren Anzahl, insbeson­ dere zwei in gegensinniger Polarisation übereinander geschichteten und elektrisch und mechanisch miteinander verbundenen, aus piezoelektri­ schem Material bestehenden Biegeelementen, wobei die Verbundanord­ nung zur Abnahme eines Beschleunigungssignales mechanisch an einer Refe­ renzstelle befestigt ist und das Beschleunigungssignal an den gegenüberlie­ genden Außenelektroden (5, 6) der Verbundanordnung abgegriffen wird, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den Biegeelementen (2, 3; 2a, 3a; 2b, 3b) zusätzliche Elektroden (4) vorgesehen und diese mit zumindest einer Au­ ßenelektrode (5, 6) über elektrische Ableitelemente (18) verbunden sind.

2. Biegesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektri­ schen Ableitelemente (18) zu den Außenelektroden (5, 6) in Serie geschaltet sind und jeweils zwischen zwei benachbarten Ableitelementen (18) eine elek­ trische Verbindung (9) zu einer der zusätzlichen Elektroden (4) abzweigen.

3. Biegesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den zusätzlichen Elektroden (4) und einer der Außenelektroden (5) ein elektrisches Ableitelement (18) vorgesehen und parallel dazu zwischen den beiden Außenelektroden (5, 6) ein weiteres elektrisches Ableitelement (19) vorgesehen ist.

4. Biegesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die einzelnen elektrischen Ableitelemente (18, 19) ohm­ sche Widerstände aufweisen.

5. Biegesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die einzelnen Ableitelemente (18′′) nichtlineare span­ nungsabhängige Bauteile (23), einfachsterweise eine Diode oder antiparallel­ geschaltete Dioden, aufweisen.

6. Biegesensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedes Ableitelement (18′′) eine Parallelschaltung ist, in de­ ren erstem Zweig ein ohmscher Widerstand und in deren zweitem Zweig zu­ mindest ein nichtlineares spannungsabhängiges Bauteil, insbesondere eine Diode oder antiparallelgeschaltete Dioden, vorgesehen ist.

7. Piezoelektrischer Biegesensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitelemente (18) durch geeignete Do­ tierung des Piezomaterials der Biegeelemente (2, 3) mit Fremdatomen in den einzelnen Biegeelementen monolithisch implementiert ist.

8. Piezoelektrischer Biegesensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisierung der einzelnen Biegeelemen­ te (2, 3) vor oder nach der Herstellung der Verbundanordnung erfolgt.

9. Piezoelektrischer Biegesensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Verbundanordnung der Biegeelemente (2, 3) aus der Fest- oder/und Flüssigkeits- oder/und Dampf­ oder/und Gasphase mit in der Halbleiterindustrie angewendeten Planarver­ fahren in monolithischer Form einzeln oder/und im Nutzen erfolgt.