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Dokumentenidentifikation DE4440078A1 15.05.1996
Titel Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer
Anmelder TEMIC TELEFUNKEN microelectronic GmbH, 74072 Heilbronn, DE
Erfinder Brinks, Gerald, Dipl.-Ing. (FH), 88483 Burgrieden, DE;
Nägele, Dieter, Dipl.-Ing. (FH), 73230 Kirchheim, DE;
Ohgke, Thomas, Dipl.-Ing., 73230 Kirchheim, DE;
Weinacht, Manfred, Dipl.-Ing. (FH), 73265 Dettingen, DE;
Tiederle, Viktor, Dipl.-Phys., 73265 Dettingen, DE
DE-Anmeldedatum 10.11.1994
DE-Aktenzeichen 4440078
Offenlegungstag 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse G01P 15/09
IPC-Nebenklasse B60R 21/32   
Zusammenfassung Es wird ein piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer beschrieben, der mittels einem Träger mechanisch derart auf ein Substrat montiert ist, daß die Hauptempfindlichkeitsachse des Biegeelementes in der Ebene des Substrates liegt. Der Träger dient gleichzeitig zur elektrischen Kontaktierung des Biegeelementes, indem der mechanische Kontakt als elektrische Verbindung ausgebildet ist. Die Vorteile eines solchen Beschleunigungsaufnehmers gegenüber einem bekannten Sensor bestehen in einer guten mechanischen und thermischen Entkopplung und einer einfachen Kontaktierung des Biegeelementes zum Substrat durch Wegfall des Drahtbondens und schließlich entfallen auch aufwendige mechanische Aufbauvorrichtungen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer, insbesondere zur Verwendung in Sicherheitseinrichtungen für Kraftfahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Beschleunigungsaufnehmer weisen als Sensorelement ein an einer Referenzstelle mechanisch eingespanntes Biegeelement aus piezoelektrischem Material, beispielsweise eine Piezokeramik, bzw. eine Anordnung aus mehreren solchen Biegeelementen auf. Das Biegeelement wird bei auf dieses wirkenden Kräften oder Beschleunigungen ausgelenkt, wobei aufgrund des piezoelektrischen Effektes eine Spannung an den Elektroden des Biegeelementes entsteht, die der Kraft bzw. der Beschleunigung proportional ist.

Für den Einsatz in Sicherheitsvorrichtungen von Kraftfahrzeugen eignen sich insbesondere sogenannte Serien- Bimorph-Biegesensoren, die aus einem Verbund von mehreren Keramikbalken mit gerader Anzahl bestehen, auf deren Außenseiten üblicherweise elektrisch hochleitfähige Beschichtungen als Außenelektroden aufgebracht sind. Es ist bekannt, solche Bimorph-Biegesensoren mittels eines Trägers auf einem in einem Gehäuse untergebrachten Substrat derart anzuordnen, daß die Hauptempfindlichkeitsachse des Biegeelementes senkrecht auf der Ebene des Substrates steht. Da manche Kfz-Hersteller verlangen, daß die die Auswerteelektronik tragende Systemleiterplatte in der Straßenebene anzuordnen ist, muß dieses Gehäuse auf dieser Systemleiterplatte derart montiert werden, daß die Hauptempfindlichkeitsachse in der Ebene dieser Leiterplatte liegt, d. h. dieses Gehäuse muß bezüglich des Substrates um 90° gedreht werden. Hierzu ist eine aufwendige Konstruktion erforderlich, nämlich einmal eine mechanische Halterung zur Herstellung der Kraftkopplung zwischen Gehäuse und Leiterplatte und zum anderen eine kammartige Leiterstruktur zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen Anschlußpins auf dem Gehäuse und der Leiterplatte.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer der eingangs genannten Art anzugeben, der zur Montage auf eine Leiterplatte gegenüber den bekannten Beschleunigungsaufnehmern keine aufwendige Konstruktion erfordert.

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

Demgemäß besteht der Träger aus zwei plattenförmigen Trägerteilen, zwischen denen das Biegeelement angeordnet ist. Dabei ist der Träger mechanisch derart mit dem Substrat verbunden, daß die Hauptempfindlichkeitsachse in der Ebene dieses Substrates liegt. Im Kontaktbereich der beiden Trägerteile mit den Außenelektroden des Biegeelementes ist eine elektrischleitende Schicht aufgebracht, die auf den Trägerteilen bis in den Bereich der mechanischen Kontaktstelle dieser Trägerteile mit dem Substrat geführt ist, wobei diese mechanische Kontaktstelle auf dem Substrat gleichzeitig als elektrische Kontaktstelle ausgebildet ist. Somit wird über die mechanische Kontaktstelle des Trägers mit dem Substrat gleichzeitig auch die elektrische Verbindung hergestellt, so daß eine zusätzliche Bondverbindung entfällt. Der aus Biegeelement und Träger bestehende Verbund ist in einem Gehäuse untergebracht, aus dem senkrecht zum Substrat stehende Anschlußstifte geführt sind, die direkt - ohne Zwischenschaltung einer Halte- und Kontaktvorrichtung - mit einer Leiterplatte verbunden werden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die thermische Entkopplung zwischen dem Verbund aus Biegeelement und Träger und der Umgebung des Beschleunigungsaufnehmers, da durch den zur Ebene des Substrates senkrechten Aufbau ein hoher Wärmewiderstand zwischen dem Substrat bzw. dem Gehäuse des Beschleunigungsaufnehmers und dem Biegeelement erreicht wird. Ferner können aufgrund des symmetrischen Aufbaues des Verbundes der pyroelektrische Effekt bei Temperaturänderungen nahezu unterdrückt werden, so daß nahezu ein pyroelektrisch neutraler Biegesensor vorliegt. Schließlich ist aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaues des aus Trägerteil und Biegeelement bestehenden Sensors auch dessen Biegeempfindlichkeit sehr gering, da die Wirkungen von Formänderungen am Gehäuse des Beschleunigungsaufnehmers nahezu nicht auf den Verbund aus Biegeelement und Träger übertragen werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht jedes Trägerelement aus einem über das Biegeelement geführten balkenförmigen Teil sowie einem an diesen sich anschließenden Trägerfuß, wobei das freie Ende dieses Trägerfußes mit einer auf dem Substrat angeordneten Kontaktstelle verbunden ist. Vorzugsweise steht die Stirnseite des freien Endes dieses Trägerfußes stumpf auf der Substratebene. Die mechanische als auch die elektrische Verbindung zwischen den Trägerelementen, also den Trägerfüßen und dem Substrat wird als Lotverbindung oder mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers ausgeführt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Ansprüchen 6 und 7 zu entnehmen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles eines piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers anhand von Zeichnungen dargestellt und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b und 1c eine schematische Aufsicht bzw. Ansicht eines Beschleunigungsaufnehmers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Kontaktstelle des Substrates mit dem Träger des Biegeelementes nach Fig. 1a,

Fig. 3a und 3b eine schematische An- bzw. Aufsicht eines Trägerteils gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a.

Ein piezoelektrischer Bimorph-Biegesensor 1 ist aus zwei balkenähnlichen Biegeelementen 1a und 1b aufgebaut. Die beiden Biegeelemente 1a und 1b stellen Piezokeramiken dar, die jeweils in den Figuren nicht dargestellte Außenelektroden aufweisen. Der Biegesensor 1 ist mittig zwischen zwei Trägerteilen 2a und 2b - einen Träger 2 bildend - derart eingespannt, daß bei Einwirkung von Beschleunigungen oder Kräften die beiden freien Enden des Biegesensors 1 ausgelenkt werden können. Deshalb bestehen die identisch ausgebildeten Trägerteile 2a und 2b aus einem balkenförmigen Teil 21, der jeweils mittig über den Biegesensor 1 geführt ist, und einem an den balkenförmigen Teil 21 sich anschließenden Trägerfuß 22, der die mechanische Verbindung zu einem Substrat 3 herstellt. Die beiden Trägerteile 2a und 2b sind plattenförmig mit einer Dicke von ca. 1 mm ausgebildet, wobei der balkenförmige Teil 21 ca. 2,5 mm und der Trägerfuß 22 ca. 6 mm breit ist. Die Trägerteile sind aus elektrisch nichtleitendem Material, insbesondere aus Keramik gefertigt.

Wie in den Fig. 1a bis 1c dargestellt ist, ist der Verbund aus dem Träger 2 und dem Biegesensor 1 senkrecht zur Ebene des Substrates 3 angeordnet, so daß die Hauptempfindlichkeitsachse des Biegesensors 1 in der Ebene des Substrates 3 liegt. Hierzu wird das Substrat 3 über Kontaktstellen 6 gemäß Fig. 2 mit den Trägerelementen 2a und 2b über deren Stirnseiten 8 gemäß den Fig. 3a und 3b stumpf verbunden. Gemäß den Fig. 3a und 3b ist im Bereich der Symmetrieachse des Trägerfußes 22 eine Ausnehmung vorgesehen, so daß stirnseitig zwei Auflageflächen entstehen. Somit sind für den Träger 2 vier Kontaktstellen 6, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, erforderlich. Auf der dem Biegesensor 1 zugewandten Seite der Trägerteile 2a und 2b ist eine Metallisierung 7 vorgesehen, die sowohl den balkenförmigen Teil 21 als auch teilweise den Trägerfuß 22 bedeckt und bis auf eine stirnseitige Berührungsfläche 8 des Fußes 22 geführt ist. Da nun auch die Kontaktbereiche 6 auf dem Substrat 3 jeweils als Leitbahn 9 enden, wird über diese Kontaktbereiche 6 nicht nur die mechanische Verbindung, sondern gleichzeitig auch die elektrische Verbindung zu dem Biegesensor 1 hergestellt. Die Verbindung kann daher entweder als Lötverbindung oder mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers hergestellt werden. Die Metallisierung auf den Trägerfüßen der beiden Trägerteile 2a und 2b ist so ausgeführt, daß die elektrische Kontaktierung bezüglich den vier im Quadrat angeordneten Kontaktbereichen 6 nach Fig. 2 über Kreuz erfolgt, um hierdurch Kurzschlüsse zu vermeiden.

Das Substrat 3 besteht aus Keramik und dient zur weiteren Aufnahme von Bauelementen 12, die über auf dem Substrat 3 geführten Leitbahnen verbunden sind. Dieses Keramiksubstrat 3 ist seinerseits auf eine aus Metall, Keramik oder Kunststoff bestehende Grundplatte 4 aufgebracht, die an den Stirnseiten des Substrates 3 übersteht, um dort jeweils zwei Steckerpins 11 vorzusehen, die über Bondverbindungen 10 mit der Schaltung auf dem Substrat 3 verbunden sind. Schließlich ist die Anordnung aus Substrat 3 und Grundplatte 4 auf einem Gehäuseboden 5 angeordnet, wobei die Steckerpins 11 isolierend durch die Grundplatte 4 und diesen Gehäuseboden 5 geführt sind. Zur Vervollständigung des mechanischen Aufbaues des Beschleunigungsaufnehmers dient ein in den Figuren nicht dargestelltes Gehäuse, das über den Aufbau auf der Grundplatte 4 gestülpt wird und bündig mit dem Gehäuseboden 5 abschließt, um ein hermetisch dichtes Gehäuse zu erhalten.

Es ist auch möglich, die Grundplatte 4 und den Gehäuseboden einstückig herzustellen.

Der so als Bauteil fertiggestellte Beschleunigungssensor kann nun auf einer die Auswerteelektronik tragenden Leiterplatte angeordnet werden, in dem die Steckerpins zur Herstellung einer Lötverbindung in entsprechende Lötaugen eingeführt werden, um gleichzeitig eine Kraftkopplung zur Leiterplatte und die elektrische Verbindung herzustellen.

Die Trägerteile 2a und 2b des Trägers 2 können auch aus Metall, beispielsweise Kovar hergestellt werden, wodurch eine Metallisierung entfällt.

Der Beschleunigungssensor gemäß des Ausführungsbeispieles stellt einen eindimensionalen Beschleunigungssensor dar. Zur Detektion der Beschleunigung in der Ebene kann ebenfalls ein zweidimensionaler Sensor aufgebaut werden, wenn auf dem Substrat zwei aus jeweils einem Biegesensor 1 und einem Träger 2 bestehende Verbunde angeordnet werden, die in einem bestimmten Winkel zueinander stehen.


Anspruch[de]
  1. 1. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer, insbesondere zur Verwendung in Sicherheitseinrichtungen für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Verbund aus einem aus piezoelektrischem Material bestehenden, zwei Außenelektroden aufweisenden Biegeelement (1), das mittels eines Trägers (2) befestigt ist, wobei die Verbundanordnung (1, 2) auf einem Substrat (3) montiert ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. a) der Träger (2) besteht aus zwei plattenförmig ausgebildeten Trägerteilen (2a, 2b), zwischen denen das Biegeelement (1) angeordnet ist,
    2. b) der Träger (2) ist mechanisch derart mit dem Substrat (3) über Kontaktstellen (6) auf dem Substrat (3) verbunden, daß die Hauptempfindlichkeitsachse des Biegeelementes (1) in der Ebene des Substrates (3) liegt,
    3. c) die beiden Trägerteile (2a, 2b) weisen im Kontaktbereich mit den Außenelektroden des Biegeelementes (1) eine elektrisch leitende Schicht (7) auf,
    4. d) zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit dem Substrat (3) ist die elektrisch leitende Schicht (7) auf den Trägerteilen (2a, 2b) bis zur mechanischen Kontaktstelle der Trägerteile (2a, 2b) mit dem Substrat (3) geführt und
    5. e) die mechanischen Kontaktstellen (6) auf dem Substrat (3) sind als elektrische Kontaktstellen ausgebildet.
  2. 2. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer, insbesondere zur Verwendung in Sicherheitseinrichtungen für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einem Verbund aus einem aus piezoelektrischem Material bestehenden, zwei Außenelektroden aufweisenden Biegeelement (1), das mittels eines Trägers (2) befestigt ist, wobei die Verbundanordnung (1, 2) auf einem Substrat (3) montiert ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    1. a) der Träger (2) besteht aus zwei plattenförmig ausgebildeten Trägerteilen (2a, 2b), zwischen denen das Biegeelement (1) angeordnet ist,
    2. b) der Träger (2) ist mechanisch derart mit dem Substrat (3) über Kontaktstellen (6) auf dem Substrat (3) verbunden, daß die Hauptempfindlichkeitsachse des Biegeelementes (1) in der Ebene des Substrates (3) liegt,
    3. c1) die beiden Trägerteile (2a, 2b) sind aus elektrisch leitendem Material hergestellt.
  3. 3. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Trägerteil (2a, 2b) einen über das Biegeelement (1) geführten balkenförmigen Teil (21) sowie einen an diesen sich anschließenden Trägerfuß (22) aufweist, wobei das freie Ende des Trägerfußes (22) mit der auf dem Substrat (30) angeordneten Kontaktstelle (6) verbunden ist.
  4. 4. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite (8) des freien Endes des Trägerfußes (22) stumpf auf das Substrat (3) geführt ist.
  5. 5. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung zwischen dem Träger (2a, 2b) und dem Substrat (3) als Lötverbindung oder mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers hergestellt wird.
  6. 6. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerfuß (22) des Trägerteiles (2a, 2b) gegenüber dessen balkenförmigen Teil (21) verbreitert ausgeführt ist.
  7. 7. Piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegeelement (1) als Bimorph-Biegesensor ausgebildet ist.






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