CN102741663A - 具有机械过滤特性的基体材料及用于制造基体材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有机械过滤特性的基体材料(100、200)，所述基体材料具有用于固定所述基体材料(102)的至少一个保持区域(104)。此外，所述基体材料(100、200)还具有带有传感器连接触点的传感器区域(110)。另外，所述基体材料(100、200)还具有与所述至少一个保持区域(104)和所述传感器区域(110)联接的隔离区域(106)，该隔离区域布置在所述至少一个保持区域(104)和所述传感器区域(110)之间。在此，为了形成机械过滤特性，所述基体材料(102)在隔离区域(106)中具有一个与保持区域(104)和/或传感器区域(110)中的基体材料(102)不同的结构。

Description

具有机械过滤特性的基体材料及用于制造基体材料的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1所述的基体材料、一种根据权利要求9所述的传感单元以及一种根据权利要求10所述的用于制造基体材料的方法。
背景技术
目前，在车辆的传感设备中使用多种不同的传感器来检测车辆运动，例如加速度或转弯速度。传感器放置在基体上，例如放置在电路板上，并且通过大多数情况下是刚性的机械联接(例如通过将电路板与传感器设备的壳体螺旋接合)与车辆连接。传感器中的模拟测量值被数字转换，并被提供给测量设备的评估单元。通过控制设备的评估单元，可以将多个传感器测量值逻辑结合以实施系统功能。
车辆中由于环境影响，例如振动，而产生干扰信号。控制设备的优点在于，其能够紧凑地集成到车辆中，但除了希望的有用信号外，与该有用信号叠加的干扰信号也可能到达传感器元件。因此，干扰信号可能导致传感器元件的功能性变差。干扰信号可以通过车辆和传感器元件之间的机械联接经由传感器基体传递。目前用于避免干扰信号的解决方案利用机械减振的材料。通常，例如由泡沫塑料制成的减振垫在车辆和传感器基体之间用于减小干扰信号通过机械联接对有用信号的影响。同样，通过在传感器和基体之间应用减振物质可以改变所述机械联接。
在公开文献US 2003/0132726A1中描述了机械式过滤器和控制设备的组合，其被提供用于机器人和机械臂。
发明内容
在此背景下，通过本发明根据各独立权利要求提出一种基体材料、一种传感器元件以及一种制造方法。有利的设计方案分别由各从属权利要求以及下面的说明给出。
本发明提供一种具有机械过滤特性的基体材料，其中所述基体材料具有下列区域：
-用于固定基体材料的至少一个保持区域；
-具有传感器连接触点的传感器区域；以及
-与所述至少一个保持区域和所述传感器区域联接的隔离区域，其布置在所述至少一个保持区域和所述传感器区域之间，其中，在隔离区域中，为了形成机械过滤特性，所述基体材料具有一个与保持区域和/或传感器区域中的基体材料不同的结构。
本发明还提供一种传感器单元，其具有下列特征：
-根据上述权利要求中任一项所述基体材料；以及
-传感器元件，该传感器元件在所述传感器区域中布置于基体材料上并且该传感器元件被构造用于检测机械的运动或振动以及产生表示机械的运动或振动的特征的传感器信号。
本发明另外还提供一种用于制造具有机械过滤特性的基体材料的方法，其中所述方法具有下列步骤：
-提供基板，其中所述基板包括用于固定基板的保持区域；以及
-在基板的保持区域和传感器区域之间的隔离区域中引入一个结构，其中所述隔离区域在引入步骤之后具有一个与保持区域和/或传感器区域不同的结构，以获得机械过滤特性。
本发明的目的是，减小(衰减)或避免传感器元件上出现的干扰信号。这通过如下方式实现：干扰信号在可以到达传感器元件之前经过机械式过滤器。所述机械式过滤器具有如下任务：在对于传感器元件的正确功能而言关键性的一定频率区域内衰减干扰信号，而有用信号应尽可能不受阻碍地到达传感器元件。
本发明的直接的有利的作用是，通过机械式过滤器可以实现有用信号与干扰信号的更好的比例。因此，控制设备的评估单元可以提供精确度更高的测量信号。替代地，在希望的保持不变的测量精确度的情况下，可以对传感器元件提出较少的要求，这使得能使用成本更低廉的传感器元件。
另一重要的优点是，在接收测量值时避免带有如下频率的干扰信号，在该频率内传感器特别地敏感。传感器的敏感性的意思是，必须仅以小的机械信号功率和确定的频率来激励传感器，由此在有用频带内产生干扰信号。在以从外部施加的振动进行激励时通过传感器元件中的非线性作用产生具有新频率的干扰信号。由此。总干扰功率可能提高并减小了有用信号功率与干扰信号功率的比例。于是，由传感器输出给评估单元且与干扰信号叠加的有用信号可能会失真或甚至不能使用。
本发明提供了如下优点：在没有附加元件(例如泡沫塑料或减振物质)的辅助下，也可以实现对机械的传递函数的影响。如此，例如通过适当地选择隔离区域中围绕基体材料中的传感器或传感器区域的凹部能够实现机械的过滤作用。这个解决方案特别是为如下应用领域提供了成本优化的方案，在该应用领域中在成本很低的情况下对限定的机械传递函数提出了高的要求。
另外，避免了在使用附加材料(例如泡沫塑料或减振材料)的情况下由于老化产生的问题。因为这些使用的材料的机械特性在传感器的工作期间经常变化，所以使用这种材料带来不可预见的系统影响的危险。由于实现了集成在基体材料(例如电路板)中的、隔离区域形式的机械式过滤器，可以省去具有老化特性的附加材料。
本发明基于如下认识：可以在考虑基体材料的一个区域的形状、材料位置和结构的情况下实现机械式过滤器。基体材料的这个区域也可被称为隔离区域，该区域的典型特征是基体材料的例如在形状、材料位置和/或结构方面的变化。所述形状在此可以为矩形、圆形或矩形和圆形的混合形状。特别地，在材料位置处本身可以存在由与在保持区域和/或传感器区域中的基体材料一样的材料制成的隔离区域，以便在一个简单的制造步骤中设置隔离区域的结构。该结构可以通过隔离区域中的凹部或者一个或多个孔形成。隔离区域在此布置在保持区域和传感器区域之间，以实现机械联接，或在最好的情况下，实现在保持区域和传感器区域的振动方面的机械脱离接合。针对机械联接的一项标准是传递函数，该传递函数是对在预定频率区域内机械系统的激励的响应。传递函数(从传感器区域开始看)在此与机械特性，例如隔离区域的形状、材料和/或结构有关。有利地，这些机械特性可以用于使传递函数与安装在传感器区域中的传感器的敏感特性相匹配。由此能够为集成在基体材料的传感器区域中的传感器实现免受干扰信号的保护功能。当机械振动可能损坏传感器或导致有错误的传感器信号时，保护功能是必要的。在此，机械式过滤器帮助滤除破坏传感器或使测量信号失真的频率。
根据本发明的一种实施方式，隔离区域中的基体材料可以具有比保持区域和/或传感器区域中的基体材料更小或更大的厚度。不同的材料厚度可以导致整个基体材料不同的共振特性。根据不同材料厚度的形成可以得到传递函数。由此，该传递函数可以例如与机械环境或与布置在基体材料的传感器区域中的传感器的敏感特性相适应，使得这种传感器可以提供几乎不会或根本不会由于干扰信号而变差的传感器信号。
根据本发明的另一实施方式，所述基体材料可以在隔离区域中具有至少一个孔。所述至少一个孔改变隔离区域中的材料的结构，并且可以例如通过相应的制造方法简单地进行制造。借助于所述至少一个孔以及由此产生的隔离区域中的材料的结构可以使传递函数与用在传感器区域中的传感器的敏感性特征相适应。
在本发明的另一实施方式中，隔离区域可以包括多个分区域，这些分区域具有不同的基体材料厚度。分区域基体材料厚度不同的隔离区域的结构化实现了以频率选择的方式衰减干扰信号或实现了有用信号以频率选择的方式经过分区域内部。在此，可以根据分区域在隔离区域中的位置实现与位置相关地衰减干扰信号。
在本发明的另一实施方式中，隔离区域可以包围传感器区域直至至少一个过渡区域，其中隔离区域可以通过所述过渡区域隔开。制成过渡区域的材料可以与只具有相应变化的结构的隔离区域的材料相同，以便不对传递函数施加影响。在此，隔离区域可以任意多次地由过渡区域分隔开或中断。借助于预定数量和/或预定布置的过渡区域，可以灵活地调节用于传感器区域的传递函数。但同时可以确保传感器区域的一定稳定性，因为在该区域中传感器安装在基体材料上并且电接触该传感器。
根据本发明的一种实施方式，隔离区域可以具有矩形形状和/或完全地包围传感器区域。在形成完全包围传感器区域的隔离区域的情况下，传感器区域与基体材料的机械联接可以优化，使得振动为了到达传感器区域中必须总是经过隔离区域。这样结构化的隔离区域还能够非常简单地进行制造，由此降低用于相应基体材料的成本。
根据本发明的另一实施方式，隔离区域可以具有圆形形状，并完全包住传感器区域。圆形形状可以是有利的，因为在这种形状中没有角和/或棱边，在这些角和/或棱边上会反射机械振动。在实现所希望的传递函数时，对于其计算，使用圆形形状可使其变得容易。在此，在圆形传感器区域中的传递函数可以优化，使得达到干扰信号的最大衰减。
在本发明的另一实施方式中，隔离区域可以具有至少一个凹口作为结构以及/或者隔离区域可以完全地包围传感器区域。设在隔离区域中的凹口可以是一个区域，以将初始来自保持区域中的基体材料的干扰信号与传感器区域屏蔽开。在此可以借助于凹口的位置实现位置可选的对干扰信号的衰减。
根据本发明的一种实施方式，隔离区域被构造用于在保持区域和传感器区域之间产生机械弹簧作用。借助于机械弹簧作用，可以确定用于传感器区域的传递函数。机械弹簧作用例如可以通过由与基体材料不同的材料制成的机械弹簧或例如通过设在基体材料中的波纹形结构实现。
在本发明的另一实施方式中，基体材料可以是电路板并且具有电导路。由相同的电路板材料形成基体材料、隔离区域和传感器区域以如下方式可以是有利的，即在电路板材料上安装电部件以及/或者电路和/或集成回路可以布置在电路板材料上。此外，当隔离区域的材料应与基体材料的材料相同时，隔离区域的结构成形可以在一个工序中执行。隔离区域也可以通过有利的在电路板上的导路引导形成。
附图说明
根据附图示例性地详细阐述本发明。附图中：
图1示出了根据本发明一种实施例的、具有机械过滤特性的基体材料的一部分的俯视图；
图2示出了根据一种实施例的、具有另一机械过滤特性的基体材料的一部分的俯视图；
图3示出了根据本发明一种实施例的信号传递链；
图4示出了根据本发明一种实施例的不同传递函数的示图；
图5示出了根据本发明一种实施例的、用于制造具有机械过滤特性的基体材料的方法的流程图。
具体实施方式
相同的或类似的元件在附图中可以设有相同的或类似的附图标记，其中省去重复的说明。此外，附图的图、其说明以及权利要求包括相组合的多种特征。对于本领域技术人员清楚的是，这些特征也可以视为单独的或可以组合成其他的、这里未明确描述的组合方式。另外，在下面的说明中可在使用不同比例和尺寸的情况下对本发明进行阐述，其中应理解的是，本发明并不限制于这些比例和尺寸。此外，根据本发明的方法步骤可以重复以及以与所描述的不同的顺序实施。如果实施例在第一特征/步骤和第二特征/步骤之间包括“和/或”连词，那么这可以解读为，该实施例根据一种实施方式既具有第一特征/步骤又具有第二特征/步骤而根据另一种实施方式要么只具有第一特征/步骤要么只具有第二特征/步骤。
图1示出了根据本发明一种实施例的、具有机械过滤特性的基体材料100的一部分的俯视图。在此，基体材料102分成与所述部分相应的保持区域104、隔离区域106和矩形的传感器区域110。在传感器区域上设有包括连接触点在内的传感器110。隔离区域106完全地包围矩形的传感器区域110，其中，隔离区域106实现在保持区域104和传感器区域110之间的机械联接。通过未示出的电通路可以接触传感器110，该电通路从保持区域104经由隔离区域106通向传感器区域110。
在图1中所示的具有机械过滤特性的基体材料100可以理解为集成在用作基体材料102的电路板102中的机械式过滤器106。机械式过滤器106例如可以通过在在电路板102上的隔离区域106中的凹部实现。通过传感器110与基体材料102的机械联接的改变，可以实现过滤作用，该过滤作用可以对干扰信号具有直接影响。为此，必需使传感器110尽可能大程度地与保持区域104中的基体材料102脱离接合。这可以通过基体材料102的隔离区域106中的凹部实现。
与此相反，图2示出了不具有机械过滤特性的基体材料200的一部分的俯视图。在此，传感器区域110的材料与基体材料102的材料相同，其中已省去隔离区域106中的结构化。布置在传感器区域110中的传感器110在没有机械式过滤器的情况下在这里直接与电路板102和保持区域联接。由此不能有利地使干扰信号与传感器远离。
图3示出了根据本发明一种实施例的信号传递链300。在此，与干扰信号302叠加的有用信号304经由传递通道306被输送到传感器308，该传感器继续将相应的电输出信号传送给处理数据的设备，例如电控制设备的微控制器310。通常，有用信号304与干扰信号302例如通过干扰有用信号304的振动来叠加。在这里根据不同的传递函数对传递通道进行描述，这些不同的传递函数描绘该传递通道306的传递特性。如果在作为车辆与传感器306之间的机械联接的传递通道306内通过上述隔离区域集成一个机械式过滤器，那么可以借助于通过机械式过滤器改变的传递函数过滤有用信号304中的干扰信号302。在图3中，示例性地示出了具有机械式过滤器的传递函数312与不具有机械式过滤器的传递函数314之间的比较。在两个传递函数312、314之间的偏差通过隔离区域的机械式过滤器产生，该机械式过滤器已在上文描述中详细示出。此外，通过机械式过滤器处理的有用信号被输送给传感器308。传感器308检测输入的信号，例如机械信号，并借助于对于传感器308特定的响应函数316将输入的信号转换成需输出的例如为电的输出信号。传感器308的输出信号用作电控制设备310的微控制器的输入信号，在控制设备310中进一步处理该输入信号。
综上所述可见，在图3中详细示出了从车辆到传感器308的信号传递。有用信号304和干扰信号302在车辆中叠加并且作为总信号通过机械的传递函数312、314传导到传感器308。在传感器308中存在的非线性特性作用在传感器308的输出信号上，该输出信号又用作评估单元310的输入信号。
图4示出了根据本发明一种实施例的、不同传递函数的示图400。在此，沿着水平的频率轴线402，在垂直的振幅特性轴线404上记录有不同的传递函数。属于传递函数的有传感器的传递函数406、具有机械式过滤器的传递函数408和没有机械式过滤器的传递函数410。传感器的传递函数406示出了两个显著的最大值，其中，第一最大值出现在下频率区域中，第二最大值出现在上频率区域中。作为具有机械式过滤器的基体材料的传递函数408和没有机械式过滤器的基体材料的传递函数410在振幅曲线中分别示出了一个最大值，其中，没有机械式过滤器的传递函数410的最大值在上频率区域中与第二最大值相叠加地出现。具有机械式过滤器的传递函数408的最大值在位于上频率区域和下频率区域之间的中间频率区域中移动地示出。从示图400特别地在上频率区域中可以看出一个特别的情况。在此，干扰信号在被称为传感器的敏感频率区域412的上频率区域中导致对传感器的激励。传感器的激励在与所述上频率区域对应的共振频率区域412中可以导致变差直到导致有用信号不能使用。在极端情况下可以导致传感器损坏。因此，在机械式过滤器的使用下，基体材料的传递函数410发生改变并且得到新的传递函数408，在该新的传递函数中在传感器的敏感频率区域412内出现的干扰信号被衰减并且防止传感器的功能受损。
因此，概括来说，在图4中示出了系统中(例如车辆中)的传递函数
Figure BPA00001577425200091
通过引入机械式过滤器，使保持区域的基体材料的传递函数在传感器区域中改变。传感器本身可以保持放置在基体材料上，以使装配(例如在自动装备时)更加容易。另外，传感器可以基于其他材料与车辆连接。通过限定的在基体材料和传感器之间的传递元件，以限定的方式建立机械联接。有利地，通过基体和传感器之间的新的联接结构实现了限定的、具有过滤功能的机械传递函数408。
根据图4可以详细示出机械式过滤器的作用。通过机械的传递函数408、410的测绘可以证明机械式过滤器的作用或者说其过滤功能。在此，没有机械式过滤器的第一控制设备在振动台上被激励。通过共振传感器来测量激励的振动。额外安装在传感器元件上的共振传感器测量在传感器上出现的振动。在经过一个频率区域后，能够确定从控制设备壳体经由基体材料直到传感器的衰减或增强并示出为机械传递函数408、410。在此之后，相同的控制设备以上述措施被改变。设有机械式过滤器的第二控制设备在同一测量装置上进行测量。过滤功能可以由两个现有的机械的传递函数408、410计算出。
图5示出了根据本发明一种实施例的、用于制造具有机械过滤特性的基体材料的方法的流程图。在此，可以使用方法500来制造图1所示的实施例。在提供步骤502中，提供一个基板，其中所述基板包括用于固定基板的保持区域。基板在一个实施例中可以为电路板。此外，在引入步骤504中，在保持区域和传感器区域之间引入一个隔离区域的结构，其中隔离区域具有与保持区域和传感器区域不同的结构，以获得机械过滤特性。在隔离区域上引入一个结构可以是在局部部分地移除基体材料，例如以凹口的形式，或者在局部完全移除基体材料，例如以孔或作为弹簧元件的波纹形结构的形式。

Claims (10)

1.一种具有机械过滤特性的基体材料(100、200)，其中所述基体材料(100、200)具有下列区域：
-用于固定所述基体材料(102)的至少一个保持区域(104)；
-具有传感器连接触点的传感器区域(110)；以及
-与所述至少一个保持区域(104)和所述传感器区域(110)联接的隔离区域(106)，该隔离区域布置在所述至少一个保持区域(104)和所述传感器区域(110)之间，其中，为了形成机械过滤特性，所述基体材料(102)在所述隔离区域(106)中具有一个与所述保持区域(104)和/或所述传感器区域(110)中的基体材料(102)不同的结构。
2.根据权利要求1所述的基体材料(100、200)，其特征在于，在所述隔离区域(106)中的基体材料(102)具有比在所述保持区域(104)和/或所述传感器区域(110)中的基体材料(102)更小或更大的厚度。
3.根据上述权利要求中任一项所述的基体材料(100、200)，其特征在于，所述基体材料(102)在所述隔离区域(106)中具有至少一个孔。
4.根据上述权利要求中任一项所述的基体材料(100、200)，其特征在于，所述隔离区域(106)包括多个分区域，这些分区域具有厚度不同的基体材料(102)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的基体材料(100、200)，其特征在于，所述隔离区域(106)包围所述传感器区域(110)直至至少一个过渡区域，其中所述隔离区域(106)通过所述过渡区域被隔开。
6.根据上述权利要求中任一项所述的基体材料(100、200)，其特征在于，所述隔离区域(106)具有矩形形状以及/或者完全包围所述传感器区域(110)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的基体材料(100、200)，其特征在于，所述隔离区域(106)具有至少一个凹口作为结构以及/或者所述隔离区域(106)完全包围所述传感器区域(110)。
8.根据上述权利要求中任一项所述的基体材料(100、200)，其特征在于，所述隔离区域(106)能够在所述保持区域(104)和所述传感器区域(110)之间产生机械的弹簧作用。
9.一种传感器单元，该传感器单元具有下列特征：
-根据上述权利要求中任一项所述的基体材料(100、200)；以及
-传感器元件，该传感器元件在所述传感器区域(110)中布置于所述基体材料(100、200)上，以检测机械的运动或振动以及产生表示机械的运动或振动的特征的传感器信号。
10.一种用于制造具有机械过滤特性的基体材料(100、200)的方法(500)，其中，所述方法(500)具有下列步骤：
-提供基板(102)的步骤(502)，其中所述基板(102)包括用于固定所述基板(102)的保持区域(104)；以及
-在所述基板(102)的保持区域(104)和传感器区域(110)之间引入一个隔离区域(106)的结构的步骤(504)，其中所述隔离区域(106)具有一个与所述保持区域(104)和/或所述传感器区域(110)的结构不同的结构，以获得机械过滤特性。
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