传感器设备 本发明涉及一种传感器设备，特别是一种极限或阈值传感器设备，具有一个用于检测测量数量的传感器系统和一个用于切换负载电路的开关设备，并且该开关设备与传感器系统相关联。
术语传感器系统基本上被理解为在下面指任何类型的传感器系统，其主要包括一个相应的测量探头、机械设计和一个相应的适配或匹配电子电路。所述的匹配电子电路必然有相应的输出电路，用于在与传感器系统有关的输出上驱动负载电路。
在本文中作为基本类型的特定的传感器系统是一种阈值传感器系统，当达到一个预先确定的值时(这个值可以是模拟或二进制性质的)操作一个或多个开关输出。这样一种阈值传感器系统必然在相应的传感器系统内将一个测量探头或检测器与具有评估和输出功能的匹配电子电路组合。
在下文中这样的传感器系统被理解为涉及(例如)电感性和电容性的接近开关、光电子传感器、超声接近开关(proximity switch)、磁和磁场传感器，以及电平传感器。
这种传感器设备的问题是在于，在用于驱动负载电路或相应的负载输出电路中的开关设备是作为一个晶体管或晶体管级构成的或者另一种方案是以机电继电器的形式构成的。
如果对于开关设备采取晶体管解决方案，将它与传感器的相应的匹配电子电路构造在一个装置上地可能性是无可否认地存在的。然而，一个重大的缺点是在简单的廉价的结构中控制电路和负载电路之间未提供电流分离，以致可能引起潜在的延迟。这个问题也可能出现在晶体管中，这是因为它不能切换a.c.电压。
当利用一个机电继电器作为输出电路中的开关设备时，必须考虑这样的缺点，即相当大的尺寸以及例如200mW相当高的驱动功率。
还不清楚在可预见的将来，作为在机电继电器领域中持续的进一步的发展的结果，是否将能够解决利用常规的机电继电器解决方案的缺点，如功率消耗，HF适应性，尺寸和最大的切换操作数量。
DE 198 54 450 A1和DE 42 05 029 C1描述了对于硅基微机械继电器的制造方法。主要是使用半导体，特别是硅技术方法。微动继电器的特征在于静电切换原理，因而具有非常低的驱动功率。
JP 06 060 788 A公开了一种降低了能量消耗的压电微动继电器。
DE 41 00 634 A1公开了微机械继电器的一种应用。在用于测试被组装的印刷电路板的测试设备中以类似矩阵的方式将多个微动继电器互联在其中。
在DE 198 46 639 A1中描述了一种对于微机械继电器的进一步的可能的利用。为了获得特别高的开关电压和电流。多个微动继电器被串联或并联在开关板中。与另一种可用的保护装置相比较，使用微动继电器使得响应时间非常短。
本发明的目的是提供一种传感器设备，特别是一种在输出部分中带有小型化开关设备的极限或阈值传感器设备，所述的输出部分既允许模块化结构又能够利用高的开关速度和大量的开关周期改进对开关设备的驱动。
在一种具有权利要求1的特征的传感器设备的情况下，依据本发明实现了这个目的。
基本原理在于利用主要是微机械开关设备。换句话说，提供一种开关设备，具有至少一个开关元件，此元件也可被称为微机械开关，但具有极低功率的驱动，并且例如可以按照静电或压电的原理工作。这种微设备最好在半导体芯片形式的层状结构情况下具有包含或许必要的电子电路的微机械部件。晶体管在小型化、低驱动功率和高开关速度等方面的优点被保持，这是利用对于其余的传感器设备匹配的电子电路按照与在相同装置的框架内相对简单的集成可能方式相同的方法实现的。在这种开关设备设计的情况下，机电继电器的优点也被保留，特别是在开关设备的控制电路和负载电路之间的电流分离或隔离以及负载电路端接点的电流分离或隔离的优点。依据本发明的传感器设备的设计和开关设备的使用必然提供一种比较简单的开关设备的配置的可能性，用于驱动同一设备以及输出电路，这可以容易地以模块化电路的方式被扩展，例如，切换几个并且也是不同的负载电路。
根据如在微现力学和/或半导体制造方面具有常规性质的材料和方法，所述的开关设备作为微动继电器MR形式的微设备来实施。
为实现此目的，例如，基于硅来选择微动继电器，它可以具有一种适当的夹层结构，如与半导体部件的结构类似，它的各层是以这样一种方式经处理构成的，即进行切换的机械元件能够用静电的或压电的力(也就是负载的变化)来操纵。因此，标准的驱动功率可以出现在大约10w的范围内。至于说到触点的制造或断开触点，所述的硅微动继电器可以与片簧的功能、弯曲条等类似地工作。美国专利5638946以举例的方式公开了一种带有弯曲条的继电器。
开关设备作为一个微设备的结构也使之可能实现与传感器设备或它的匹配电子电路的集成结构，这些结构可以设想为例如在传感器设备的电路板上的一个部件或分组件、或者作为一个SMD、或者也是与传感器设备的其他匹配电子电路在一起的一种芯片的形式以及作为一个分离的芯片。
当利用依据本发明的传感器设备中的开关设备时，在控制电路和负载电路之间，以及负载电路的端接点之间的电流分离被保留为一个重要的优点。
在传感器设备中适当地使用微动继电器作为开关设备使得消除对于驱动电路和负载电路的公共电位成为可能，以致在负载电路的驱动和连线方面可以实现高度的灵活性。
也可以实现动作方向倒置。
作为微动继电器的高输入阻抗和在控制电路和负载电路之间的电流分离的结果，可以通过将MR相应地插入到电路图中的不同位置进行动作方向倒置，为了获得这种灵活性不需要附加的部件或进一步的连线安排。因此，用于传感器的装置费用和所得到的分组件的尺寸可以保持在最小值。尤其是当所有的部件都可以是SMD形式的时候。
与常规继电器的使用相比较，一个重要的优点是由于微动继电器的高抗振动的结果引起的，其降低了差错概率并大大地扩展使用和应用的范围。
具有微动继电器的传感器设备的输出电路中开关设备的设计必然不仅能实现在先前技术中以前所使用的部件和分组件的优点，而且也能够以令人觉得意外的方式提供新型的被大大简化的驱动和开关的可能性。这也适用于传感器设备输出电路的多通道设计。
下面将参照表示开关设备，其内部结构，以及外部驱动的可能性，内部和外部的开关或电路配置的附图来详细描述本发明。在附图中示出：
图1a，1b 带有分离的信号输入的一种微动继电器的图示
结构，和被缩短的符号表示。
图1c 利用电源电压驱动的一种不带分离的信号输入
的微动继电器的图示结构。
图1d，1e 在利用开关元件作为常开触点或闭合器的芯片
上设计一个微动继电器的可能性。
图2a，2b 一个微动继电器作为常闭触点或带有分离的信
号输入或不带分离的信号输入的开通器的符号
表示。
图3a，3b 微动继电器的基本外部连线的可能性。
图4a，4b 一种带有三点端接点和内部电流连接以及外部
连线可能性的微动继电器输出端的简化。
图5a，5b 一种带有简化的负载电路的与图4类似的实施
方案。
图6a，6b 一种带有内部电流连接和动作方向倒置的微动
继电器的实施方案。
图7a，7b 基于两个微动继电器，作为一个三点传感器的
传感器设备推挽输出的实现。
图8a，8b，8c 藉助于两个基本上并联的微动继电器，部分带
有动作方向倒置，实现传感器设备的两通道实
施方案。
图9a，9b，9c 9a 一个通用的开关级；
9b，c 微动继电器对于不同的动作方向的连
接可能性。
图10a，10b 通过桥路部分或整流器桥路，一个微动继电器
可编程的动作方向倒置的可能性。
传感器设备也可被看成为由带有相应的换能器的分组件组成，例如，一种电感性的传感器，将相应的适配或匹配电子电路与输出电路相关联。这种输出电路具有至少一个相应的开关设备，最好是一个微动继电器MR，和至少具有一个用于切换以下的负载电路的开关元件。
图1a到1e用被简化的符号形式示出一个相应的微动继电器1，也对利用外部的连线替代方案将微动继电器作为一个芯片构成的可能性进行简明的参考展示。
图1a到1e以举例的方式涉及作为一个常开触点或闭合器的微动继电器1。
图1a简要地示出带有端接点的微型继电器1，有界的方框示出一个放大器3，由端接点VDD和VSS之间的电源电压连续地供电。该放大器3接收输入信号4并在输出侧上对开关2起作用，在图1a中示出该开关处于打开状态。
在下文进一步的描述中，微动继电器1被象征性地按照图1b的闭合器的功能来使用。
图1c示出微动继电器1作为闭合器的另一种实施方案，其中分离的控制输入已被略去，和通过应用相应的供电电压或获得相应的电压差实现开关功能。
图1d和1e以举例的方式示出对于微动继电器及其外部连线的芯片内部解决方法的两种实施方案。
在依据图1d的例子中，放大器3的一个输入被施加到端接点VDD。与图1e相对应，所述的其他的实施方案示出作为反相器构成的放大器的位于接点VSS的输入。另一个供电电压端接点VDD通过二极管8施加到反相器以防止极性混淆。在依据图1e的例子中，二极管8也被省略。
微动继电器1也可以类似方式构成为一个常闭触点或开通器，如图2a，2b所示。与依据图2a的实施方案相对应，微动继电器1配有一个分离的信号输入4，和VDD和VSS之间的连续电压源。依据图2b，这个分离的信号输入可被省略，然后，藉助于相应的供电电压和例如激活开通进行控制，若在微动继电器的输入端上有控制电压的话，可以使开关动作。
以与依据图1d和1e的闭合器相同的方法使微动继电器作为开通器可以实现片内配置。
图3a和3b简要示出一种单通道应用的传感器设备或带有固定动作方向的传感器设备输出电路10。
输出电路10，也可被称为装备电路GK，在一侧具有与图1b对应的微动继电器1。这种微动继电器通过连接端12，13从一个d.c.电压源11接收它的连续d.c.电压供应。利用一个负载15和一个可以通过微动继电器1的输出端5和6的输出切换的d.c.电压源16。作为在微动继电器1的开关2上电流分离的结果，负载电路可被放置在微动继电器1的介电强度内的随机电位上。
图3b示出与图3a相同的结构，但负载电路LK被简要地示出带有a.c.电压源17。这就很清楚，作为关于微动继电器1控制电路的电流隔离的结果，负载电路LK也可以用d.c.电压供电。因此，负载电路LK可以用随机的时变的和/或随机极性的电压供电，必然也适合于连接的数据线或接口。
因此，图3a和3b简要地表示微动继电器1的应用，在输出电路10或装备电路GK与负载电路LK的连线方面具有最高的自由度。然而，这种应用的可能性也需要扩大的外部连线的成本。
在依据图3a和3b的电路的基础上，可以实现以下的电路或切换的可能性和连线的可能性。如图所示，输出电路10或装备电路GK和负载电路LK没有电流连接。输出电路10和负载电路LK在传感器设备或输出电路10的外部或在所述的输出电路10的内部有电流连接，例如，相同的差电位，或在不相等的差电位的情况下电压的相加。在电流连接的情况下，仍然是自由的输出5或6可被设计成p-切换或n-切换方式。术语p-切换被理解为相对于正电位切换，n-切换是相对于负电位切换。
输出电路10或负载电路可以具有不同的电压值或幅度。输出电路和负载电路可被接成相同或相反的方向。负载电路相对于输出电路也可以是变化的极性。
与图3a和3b中所示的负载电路和电压供电电路外部连线通用连接的可能性由于应用在输出电路10或装备电路GK和负载电路LK之间的电流连接，也可被大大地简化，示于图4a和4b中，以及在图5a，5b中作了进一步的简化。
如果电流连接在传感器设备输出电路10和负载电路LK之间是必要的，则可以通过在微动继电器1的开关2和对于电位VSS的连接端13之间的电流连接21在传感器设备或输出电路10的内部方便地实现。然后，在连接端5上进行负载电路或负载15的进一步连线，因而也处于连接端13的电位上。在依据图4a的例子中，这是通过负载电路LK中的d.c.电压源16进行的，a.c.电压源17的a.c.电压被迭加在上面。
要指出的是，在图中相同的标号表示相同的分组件和部件，所以为了简单起见，并不是所有的分组件一定出现在相应的图中。为了简单起见，对于依据图3a的连接端6和13之间的内部连接，在一种典型的非-符合连接或依据图4a的端接类型中，可以拥有一种三线的传感器。
按照图4b的变动与图4a的不同之处在于在输出电路10内的内部电流连接22通过正的连接端12。因此，负载电路LK在输出端6和连接端12上，而连接端12是处于d.c.供电电压VDC 11的正电位上。
在依据图4a和4b的实施方案中，按照所示的连线，施加到负载电路LK的电位可以在d.c.供电电压11以内或以外。
传感器设备输出电路10配有三个端接点并示于图4a和4b中，因而也可被称为三线传感器，考虑到内部的电流连接21或22，使它具有与图3a，3b有关的相同优点。特别是，仍然自由的输出可被设计成p或n-切换方式。负载电路LK和输出电路10可以具有不同的电压值和幅度和/或可以被定极性成相同或相反的方向。相对于输出电路10，负载电路LK可以具有变化的极性，并可用随机时变的和/或随机极性的电压供电。
在依据图5a和5b的例子中示出进一步的简化。依据图5a负载电路的负载15被施加到输出端5，也施加到处于d.c.供电电压11正电位的连接端12。在图5b的情况下负载15在输出端6和连接端13或d.c.供电电压11的负电位之间。
因此，在这种简化的变型中，可以实现大多数标准的实施方案，其对应于利用n-切换，p-切换，开通器和闭合器的随机组合的标准连接类型。
依据图4a，4b的输出电路10的进一步改进示于图6a中。在依据图6a的实施方案中，负载电路的参考电位可以被倒置。为此目的，在连接端12上的供电电位VDD和在连接端13上的电位VSS之间提供一个反相开关24，可藉助于在WRU端点25上的动作方向倒置WRU进行反相。当驱动微动继电器1和闭合开关2时，在依据图6a的位置中用于负载电路的输出端6转到电位VDD。在操作动作方向倒置和切换反相开关24时，电位VSS可被施加到输出端6。
因此，用这种方法微动继电器1的相应输出可以，如所希望的那样，施加到供电电压的一个或另一个极，也就是可被设计成p-切换和n-切换方式。反相开关24可被构成随机的，适当的形式，例如，作为一种内部桥路，一种开关逻辑电路或其他的内部连线编程工具。
替代依据图6a的反相开关24，可以通过使用两个简单的开关26，27。也可以构成为另外的微动继电器，利用按照图6b的内部连线实现相同的功能。
因此，有关图4a，4b的优点和连线的可能性被保留，而且在p-切换或n-切换方式方面被进一步扩展。
为了设计带有推挽输出29的三线传感器，在依据图7a的实施方案中，传感器设备输出电路10配有开通器形式的第二微动继电器14。上部的微动继电器1对应于按照图4b的内部连线，而下部的第二微动继电器14具有按照图4a的内部连线，微动继电器被构成为开通器。两个微动继电器的相应的端接点5和6被引到推挽输出29。通过信号端4在两个微动继电器1，14上施加相同的驱动信号。
依据图7a，在一种切换状态下电位VSS从连接端13施加到推挽输出29。在其他的切换状态下微动继电器14打开和闭合微动继电器1，使得推挽输出29从连接端12接收电位VDD。
通过在VDD和输出或VSS和输出之间切换负载的可能性，可以利用这种内部结构选择动作方向。因此，推挽输出29可以工作在交替的p-和n-切换方式中。作为这种操作模式的结果，利用电感性的负载不需要进一步的恢复二极管。特别是在高切换频率的情况下，这样做降低了在传感器设备中要消耗的功率损失。
在依据图7a的电路功能方面的进一步增加是由于在端点25上额外地提供可控的动作方向倒置WRU引起的。在依据图7b的例子中，WRU端25和信号端都在驱动特定的微动继电器1，14的逻辑电路28上。依据图7b的利用控制WRU和可能的附加逻辑电路的连线必然使输出变型能够利用在传感器或它的输出电路10中的n-切换，p-切换，开通器和闭合器的随机组合。
例如，控制逻辑电路也允许使用类似的微动继电器，使得，例如，两个微动继电器可以，如所希望的那样，被设计成闭合器或开通器。替代图7b中所示的配置，WRU也可用内部或外部桥路来实现。
图7a，7b中所示的电路可用相当简单的方式方便地扩展成两通道，无电位形式。为此目的，例如，图7a中所示的微动继电器1，14的两个输出端被连通到外部，如图8a中所示。因此，存在两个独立的，电流隔离的输出5，6或5’，6’，和在依据图8a的例子中，由于逻辑电路28带有信号端4和WRU端2 5，两个微动继电器1，1’可在相同的或相反的方向被驱动。
为了利用对两通道传感器设备的等方向驱动获得简单的，反价(antivalent)的输出，如图8b中所示，对于下部的微动继电器14，只需要将依据图8a的微动继电器1’设计成一个开通器并除去逻辑电路。
对于依据图3a，3b的单通道型式所示的特性和优点在依据图8a的实施方案中以未改变的形式适用于每个单独的信道。也应该指出，两个负载电路LK可如在这种两通道形式的输出级10中未连线在一起一样被连线在一起，就象对于依据图3a，3b的型式的输出电路10和负载电路所描述的那样。
在图8b所示的实施方案中，上部的微动继电器1被设计成闭合器和下部的微动继电器14被设计为开通器，继电器1，14可由公共的信号线4进行控制，因而以反价(antivalent)方式切换。在本例中微动继电器的两条输出线5，6或5’，6’都被接通到外部。
对于单通道型式能实现相同方式的与参考电位的随机连线，如在图8c中所示，例如，在图6a中，所示同样的方式也可以用于两通道解决方案。对依据图8b解决方案的补充，由于开关24内部产生与连接端12的连接，或与连接端13的连接(图8c)，导致用相应的参考电位VDD或VSS的随机连线。
除藉助于动作方向倒置驱动的反相开关24之外，也可以通过单独的开关26，27实现解决方案，如图6b中所示。
因为相应的半导体-基的微动继电器通常具有高欧姆输入，也在控制电路和负载电路之间提供电流隔离，所以当作为实现简化驱动可能性的结果利用一个或多个微动继电器时，对于传感器设备的控制和输出电路产生重要的优点。在常规的机电继电器的情况下，由于过分高的驱动电流的缘故，这样的驱动可能性将是不可想象的。
图9a示出一种简化的用于常规的机电继电器的输入配置。在电源端32和33之间提供与晶体管35串联的负载电阻器34，晶体管的发射极连通到端接点33。在通过基极端37驱动时，在端接点36上获得相应的信号。如果利用这种配置使用常规的机电继电器，这将替代负载电阻器34。然而，当通过端接点36和33插入一个常规的继电器时，电阻器34将必须是如此低，以致由于太高的分路电流使这种模式成为不可能。在其他替代方案的情况下，例如，通过相应的运算放大器的输出级，比较器或藉助于逻辑电路驱动机电继电器，它也将不得不设计成产生高的驱动电流。如果对于相应的继电器希望动作方向倒置，就产生进一步的困难，因为这无论如何需要更多的部件并增加成本。
然而，当利用微动继电器1时，可以比较简单和廉价地实现输入的连线。
利用通常的开关级，如图9a中所示。可以按图9b中所示的方式将正端32和位于晶体管35集电极上的端接点36之间的微动继电器1连接。
然而，在依据图9c的例子中微动继电器1处于负电源电压33处。由于对微动继电器1输入连线选择的自由度，不需要附加的部件，因而可以非常廉价实现所希望的动作方向倒置。因为微动继电器1的输入电阻可以始终被假定为远高于负载电阻器34的电阻值，关于负载电阻器的大小并不引起什么问题。
在依据图9b和9c的电路的基础上，示出只通过改变电路图中微动继电器1的位置如何实现动作方向倒置。微动继电器1既可与负载电阻器34并行又可与晶体管35并行。这种应用与是否微动继电器1是作为闭合器还是开通器实施完全无关。
特别是鉴于在自动工业中的标准约束，例如，在电源故障的情况下传感器输出必须假定一个预先确定的切换位置，很清楚，在实践中可以使用所有这些变型。
如果为了匹配或适配传感器设备的电子电路，对于所述的电子电路使用一种相应的基础装置，可以实现动作方向和开关类型，n-切换等的所有组合，由于相应的微动继电器被以简单方式放置在相应装置的适当定位的接触面上，不需要提供进一步的部件。固此只通过将相应的微动继电器放置在电路支撑或用于输出电路电子装置的载体上就可以实现所希望的功能。
用于实施微动继电器1的动作方向倒置的其他有利的变型示于图10a和10b中。在图10a中藉助于限流元件，如电阻器41进行对微动继电器1输入的连线，电阻器41一端连在供电电压VDD 32上，另一端连在微动继电器1和与它并行设置的桥路44上。桥路44的另一端放置在信号端接点4上。另一供电电压VSS从端接点33通过另一个限流元件，如电阻器42，供给微动继电器1和另一个桥路45。这个桥路4 5的另一端也在信号端接点4上。这样，藉助于桥路44，45可实现微动继电器1可编程的动作方向。例如，通过分离相应的桥路或增加或闭合相应的桥路来进行这项功能。这样一种端接点的改变可以在传感器制造期间以固定的形式进行，或者可以，如所希望的那样，由用户在使用地点实施。这些桥路44，45可从外部，例如一个端子盒中接入。
微动继电器1的可控动作方向倒置如图10b所示，桥路整流器被连接在微动继电器1的上游。
由于微动继电器1特殊性能，如与控制输入的电位无关，在输入和输出侧之间电流的分离，和高输入阻抗，可以以特别简单的方式利用整流器桥路，尤其是桥路整流器46来实现WRU功能。
图10b中示出了相应的结构。桥路整流器46在微动继电器1处具有自己的d.c.电压端。通过倒置开关47、电源电压32或33的相应端对所述的桥路整流器应用信号端4及倒置。
当利用常规的机电继电器时，这将不构成适当的用于驱动继电器的电路技术。
在依据图10b的配置的情况下，可以通过，如所希望的那样，插入一个可在外部接入的桥路，或者通过在相应的控制输入31上的控制逻辑实现动作方向倒置。利用相应的预置，这种控制也可以在传感器设备连续操作期间影响动作方向倒置。带有参考电位的控制输入的固定连线也是可能的。