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DE3918407A1 - Piezoelektrischer beschleunigungssensor, insbesondere zur ausloesung von insassenschutzvorrichtungen in kraftfahrzeugen - Google Patents

Piezoelektrischer beschleunigungssensor, insbesondere zur ausloesung von insassenschutzvorrichtungen in kraftfahrzeugen

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DE3918407A1
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Germany
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switch
capacitor
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accelerometer
integrator
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DE3918407A
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Alfons Woehrl
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Conti Temic Microelectronic GmbH
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Beschleunigungssensor, insbesondere zur Auslösung von Insassenschutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein solcher Beschleunigungssensor ist aus der DE-OS 33 34 603 bekannt. Ein Anschluß eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers wird hierbei über einen Widerstand mit einem Operationsverstärker verbunden, der über einen zweiten Widerstand rückgekoppelt wird, so daß das Ausgangssignal des Beschleunigungsaufnehmers aufintegriert wird. Erreicht das integrierte Signal einen bestimmten Schwellenwert, so wird die Schutzvorrichtung ausgelöst, wobei ggf. noch weitere Schaltungsteile vorgesehen sind, um zusätzliche bei einem Aufprall des Kraftfahrzeuges auf ein Hindernis kritische Parameter zu berücksichtigen.
Der erste Widerstand hat bei den üblicherweise verwendeten piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmern einen Widerstandswert, der typisch in der Größenordnung zwischen einem Gigaohm und zehn Gigaohm liegt. Da die Verstärkung V des Operationsverstärkers im wesentlichen von dem Verhältnis der Widerstandswerte des zweiten und des ersten Widerstandes abhängt und - andere Schaltungsteile vernachlässigt - zu
V = 1 + R2/R1
angegeben werden kann, muß der zweite Widerstand R2, d. h. der Integrationswiderstand einen noch größeren Widerstandswert als der erste Widerstand R1 aufweisen, wenn eine vernüftige Verstärkung gewünscht wird. Widerstände mit solch hohen Widerstandswerten sind jedoch relativ groß, so daß eine kompakte Konstruktion des Beschleunigungssensors verhindert wird. Bei dem heutigen und in Zukunft noch weiter steigenden Sicherheitsstandard für Kraftfahrzeuge werden jedoch Insassenschutzvorrichtung wie Luftkissen, Gurtstrammer etc. mit solchen Beschleunigungssensoren mehr und mehr eingesetzt, so daß Beschleunigungssensoren als Massenartikel zu betrachten sind. Eine kompakte Bauweise und wirtschaftliche Herstellung bei gleichzeitig hoher Funktionssicherheit ist somit anzustreben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beschleunigungssensor der in Rede stehenden Art so zu modifizieren, daß Widerstände mit hohen Widerstandswerten vermieden werden und der Beschleunigungssensor als mehr klein bauende Einheit hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der erste Widerstand wird demgemäß durch eine Schaltung aus einem ersten Kondensator und einem ersten Schalter ersetzt, so daß die Ladung des Beschleunigungsaufnehmers getaktet aufgenommen und an den Operationsverstärker weitergegeben wird. Ebenso wird bevorzugt auch der zweite Widerstand, d. h. der Integrationswiderstand durch eine Parallelschaltung aus einem zweiten Kondensator und einem zweiten Schalter ersetzt. Dieser zweite Schalter wird während der Integrationsphase offengehalten und nach deren Ende zum Rücksetzen des Operationsverstärkers geschlossen.
Die verwendeten Kondensatoren benötigen Kapazitätswerte von einigen Pikofarad, so daß der damit realisierte Beschleunigungssensor wesentlich kleiner gebaut werden kann als bisher. Typischerweise entsprechen Kapazitätswerte von 10 Pikofarad Widerstandswerten von etwa 15 Gigaohm bei herkömmlicher Bauweise mit Widerständen.
Bevorzugt wird auch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers getaktet mit Hilfe eines dritten Schalters auf einen dritten Kondensator geleitet und dort für die einzelnen Integrationsphasen gespeichert.
Der Operationsverstärker und die Schalter werden bevorzugt in einem Halbleiterchip integriert, auf dem auch der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer befestigt ist. Die gesamte Anordnung aus Halbleiterchip und Beschleunigungsaufnehmer wird bevorzugt auf dem Sockel eines kleinen Gehäuses, z. B. in Form eines herkömmlichen Transistorgehäuses befestigt. Die Dicke des Sockels wird vorteilhaft wesentlich größer als diejenige des Halbleiterchips gewählt, einmal um die Schockresistenz des Beschleunigungssensors zu erhöhen, zum anderen, um die Resonanzfrequenz des Beschleunigungssensors sehr hoch zu legen, so daß Störungen durch von außen induzierte mechanische Schwingungen verringert, bzw. praktisch ausgeschlossen werden.
Hinzu kommt, daß durch die Realisierung mit Hilfe eines Halbleiterchips der Beschleunigungssensor programmierbar ist, z. B. durch von außen zugeführte Daten, und somit an dem speziellen Anwendungsfall optimal angepaßt werden kann.
Die Herstellung des Beschleunigungssensors kann in Großserie mit vorhandenen Fertigungstechniken erfolgen.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellt dar
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Beschleunigungssensor gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt längs II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm für einen Beschleunigungssensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm für einen Beschleunigungssensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Beschleunigungssensor 1 gezeigt, der ein Gehäuse 2 mit einem Sockel 3 und einer Kappe 4 sowie einen Halbleiterchip 5 und einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer 6 aufweist. Der Halbleiterchip 5 ist auf dem Sockel 3 aufgelötet bzw. aufgeklebt, der Beschleunigungsaufnehmer ist auf der Oberseite des Halbleiterchips 5 ebenfalls aufgelötet bzw. aufgeklebt. Durch den Sockel 3 des Gehäuses 2 ragen vier Kontaktstifte 7, deren in das Gehäuse 2 hineinragenden Enden über Anschlußdrähte 8 mit Anschlußkontakten 9 des Halbleiterchips 5 verbunden sind. Auf dem Halbleiterchip 5 ist, den mittig angeordneten Beschleunigungsaufnehmer 5 umgebend, eine Auswerteschaltung 10 gemäß den Fig. 3 bzw. 4 integriert. Die Anschlußkontakte des Beschleunigungsaufnehmers 6 sind über Anschlußdrähte 11 mit entsprechenden Schaltungspunkten 12 und 13 der Auswerteschaltung 10 verbunden; vgl. Fig. 3 und 4.
In der Fig. 3 ist die Beschaltung des Beschleunigungssensors gezeigt. Parallel zu dem Beschleunigungsaufnehmer 6 ist eine Kapazität C vorgesehen, die durch die parasitäre Kapazität des Beschleunigungsaufnehmers und ggf. eine zusätzlich vorgesehene Kapazität definiert ist. Die Schaltungspunkte 12 und 13, die über die Anschlußdrähte 11 mit den beiden Elektroden des Beschleunigungsaufnehmers verbunden sind, bilden die Eingangspunkte der Auswerteschaltung 10. Der Schaltungspunkt 13, der mit einem der Kontaktstifte 7 verbunden ist, liegt an einer extern zugeführten Referenzspannung U-Ref und ist mit dem positiven Eingang eines Operationsverstärkers 14 verbunden. Dieser erhält seine Versorgungsspannung über einen weiteren Kontaktstift 7.
Der Anschlußpunkt 12 ist mit einem Schaltkontakt 15 eines ersten Schalters S1 verbunden, dessen zweiter Schaltkontakt 16 mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 14 verbunden ist. Der Fußpunkt des Schalters S1 ist mit einem ersten Kondensator C1 verbunden, dessen zweiter Kontakt an der Referenzspannung U-Ref liegt.
Der Operationsverstärker 14 dient als Integrator. Sein Ausgang ist über einen zweiten Kondensator C2 auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers 14 rückgekoppelt. Parallel zu diesem zweiten Kondensator C2 liegt ein zweiter Schalter S2.
Der Ausgang des Operationsverstärkers ist über einen dritten Schalter S3 zu dem Ausgangspunkt der Auswerteschaltung 10 geführt, an dem die Ausgangsspannung über einen der Kontaktstifte 7 abgenommen wird. An dem dritten Schalter S3 und dem Ausgangspunkt der Auswerteschaltung ist ein Kontakt eines dritten Kondensators C3 gelegen, dessen anderer Kontakt mit Masse verbunden ist.
Die Auswerteschaltung 10 weist noch einen Taktgeber 17 auf, der Schaltsignale T1, T2 und T3 an die einzelnen Schalter S1, S2 bzw. S3 liefert. Der Taktgeber 17 kann über einen Kontaktstift 7 von außen programmiert werden. Dieser Kontaktgeber kann auch noch zusätzliche interne Schaltungsfunktionen ausführen. Es ist selbstverständlich möglich, diesen Taktgeber auch extern anzuordnen, so daß dessen Taktsignale über einen oder mehrere Kontaktstifte an die Schalter geleitet werden.
Durch den ersten Schalter S1 und den Kondensator C1 wird der ansonsten notwendige Vorwiderstand zwischen piezoelektrischem Beschleunigungsaufnehmer und Operationsverstärker ersetzt, wohingegen der zweite Schalter S2 und der zweite Kondensator C2 den ansonsten üblichen Integrationswiderstand ersetzen. Durch das Verhältnis der Kapazitätswerte des zweiten und des ersten Kondensators wird die Verstärkung des Operationsverstärkers 14 bestimmt.
Die Funktion der beschriebenen Schaltung ist folgende:
In einem ersten Zeitintervall wird mit Hilfe des Taktgebers 17 der Schalter S1 auf den Schaltkontakt 15 gelegt, so daß die in dem piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer 6 erzeugte Ladung im ersten Kondensator C1 gespeichert wird. Der zweite Schalter C2 ist geschlossen, so daß der zweite Kondensator C2 entladen und damit der Operationsverstärker 14 zurückgesetzt wird. Der dritte Schalter S3 ist offengehalten.
Anschließend wird der erste Schalter S1 auf den Schaltkontakt 16 gelegt; der zweite Schalter S2 wird geöffnet, und der dritte Schalter S3 offengehalten. Hiermit beginnt die Integration, während der erste Kondensator C1 entladen wird. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, wird der erste Schalter S1 wieder auf den Schaltkontakt 15 umgeschaltet und der dritte Schalter S3 geschlossen, so daß der von dem Operationsverstärker 14 ermittelte Integrationswert von dem dritten Kondensator C3 gespeichert und als Ausgangsspannung U abgenommen wird.
In einem letzten Intervall wird der dritte Schalter S3 wieder geöffnet und der zweite Schalter S2 geschlossen, so daß der Operationsverstärker 14 unter Entladen des zweiten Kondensators C2 zurückgesetzt wird.
Dieser Zyklus wiederholt sich dann entsprechend.
Die Referenzspannung U-Ref dient als Kompensationsspannung, mit der u. a. auch Offset-Driften kompensiert werden können.
Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung weist die gleichen Komponenten wie diejenige gemäß Fig. 3 auf, so daß sich eine nähere Beschreibung erübrigt. Hinzugefügt ist lediglich ein vierter Schalter S4 und ein vierter Kondensator C4, wobei der Schaltungspunkt 12 mit dem Schaltkontakt 15 des ersten Schalters verbunden ist. Der vierte Schalter S4 schaltet in seiner ersten Schaltstellung den vierten Kondensator C4 parallel zu dem Beschleunigungsaufnehmer 6, während in der zweiten Schaltstellung der Kondensator C4 entladen wird. Durch den vierten Schalter S4 und den vierten Kondensator C4 wird ein zu dem Beschleunigungsaufnehmer 6 paralleler Widerstand simuliert, mit dem ansonsten die untere Grenzfrequenz der gesamten Schaltung festgelegt werden kann. Diese Grenzfrequenz kann durch eine bestimmte Schaltfrequenz des Schalters S4 eingestellt werden. Der Schalter S4 kann unabhängig von dem ersten Schalter S1 durch Taktsignale T4 vom Taktgeber 17 betätigt werden. Eine synchrone Schaltung mit dem ersten Schalter ist auch möglich. Der Kapazitätwert des vierten Kondensators C4 liegt typischerweise bei einigen Femtofarad.

Claims (10)

1. Piezoelektrischer Beschleunigungssensor, insbesondere zur Auslösung von Insassenschutzvorrichtungen in Kraftfahrzeugen, mit einem piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer und einer zumindest einen Integrator aufweisenden Auswerteschaltung, wobei der Beschleunigungsaufnehmer über einen Widerstand mit dem Eingang des Integrators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand durch einen zum Beschleunigungsaufnehmer (6) parallel geschalteten ersten Kondensator (C1) sowie einen den Kondensator (C1) geschaltet wechselseitig mit dem Beschleunigungsaufnehmer (6) bzw. dem Integrator (14) verbindenden ersten Schalter (S1) gebildet ist.
2. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß (13) des Beschleunigungsaufnehmers (6) und der damit verbundene Anschluß des ersten Kondensators (C1) mit einem ersten Eingang (positiver Eingang) eines Operationsverstärkers (14) verbunden ist, daß der andere Anschluß des Beschleunigungsaufnehmers (6) mit einem ersten Schaltkontakt (15) des ersten Schalters (S1) verbunden ist, daß ein zweiter Schaltkontakt (16) des ersten Schalters (S1) mit dem anderen Eingang (negativer Eingang) des Operationsverstärkers (14) verbunden ist, und daß der Ausgang des Operationsverstärkers (14) über eine Parallelschaltung aus einem zweiten Kondensator (C2) und einem zweiten Schalter (S2) auf den negativen Eingang des Operationsverstärkers (14) rückgekoppelt ist.
3. Beschleunigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (14) mit einem dritten Schalter (S3) verbunden ist, dessen Ausgangsanschluß den Ausgang (U) der Auswerteschaltung (10) bildet, und daß parallel zu diesem Ausgang ein dritter Kondensator (C3) geschaltet ist.
4. Beschleunigungssensor nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Taktschaltung (17) für die drei Schalter (S1, S2, S3), die diese in aufeinanderfolgenden Zeitintervallen folgendermaßen betätigt:
  • a) Verbinden des ersten Kondensators (C1) über den ersten Schalter (S1) mit dem Beschleunigungsaufnehmer (6) bei geschlossenem zweiten sowie offenem dritten Schalter (S2 bzw. S3);
  • b) Verbinden des ersten Kondensators (C1) über den ersten Schalter (S1) mit dem Operationsverstärker (14) und Öffnen des zweiten Schalters (S2) sowie Offenhalten des dritten Schalters (S3);
  • c) Verbinden des ersten Kondensators (C1) über den ersten Schalter mit dem Beschleunigungsaufnehmer (6) sowie Schließen des dritten Schalters (S3) und Offenhalten des zweiten Schalters (S2);
  • d) Öffnen des dritten Schalters (S3) und Schließen des zweiten Schalters (S2),
wonach die Schritte b) bis d) zyklisch wiederholt werden.
5. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Beschleunigungsaufnehmer (6) und dem ersten Kondensator (C1) ein vierter Kondensator (C4) und ein vierter Schalter (S4) vorgesehen sind, wobei der vierte Schalter (S4) getaktet den vierten Kondensator (C4) parallel zu dem Beschleunigungs­ aufnehmer (6) schaltet bzw. den vierten Kondensator (C4) kurzschließt.
6. Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Schalter (S4) unabhängig von dem ersten Schalter (S1) betätigbar ist.
7. Beschleunigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte Schalter (S4) dann, wenn der erste Schalter (S1) den ersten Kondensator (C1) mit dem Beschleunigungsaufnehmer (6) verbindet, den vierten Kondensator (C4) parallel zu dem Beschleunigungsaufnehmer (6) schaltet und dann, wenn der erste Schalter (S1) den ersten Kondensator (C1) mit dem Integrator (14) verbindet, den vierten Kondensator (C4) kurzschließt.
8. Beschleunigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (10) in einem Halbleiterchip (5) integriert ist, daß der Beschleunigungsaufnehmer (6) auf der Oberfläche dieses Chips mechanisch mit diesem verbunden ist, und daß die Anordnung aus Halbleiterchip (5) und Beschleunigungsaufnehmer (6) auf einem externen Anschlußkontakte (7) aufweisenden Sockel (3) eines Gehäuses (2) befestigt ist, welches eine den Halbleiterchip (5) und den Beschleunigungsaufnehmer (6) überdeckende Kappe (4) aufweist.
9. Beschleunigungssensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (3) eine Dicke aufweist, die diejenige des Halbleiterchips (5) übersteigt.
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