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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit einem mikromechanischen Funktionsteil und einer elektronischen Auswerteschaltung, die mittels elektrischer Leiter in elektrischer Verbindung stehen.
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Bei kapazitiv ausgewerteten Inertialsensoren, insbesondere Beschleunigungssensoren mit Kammstrukturen, werden Signale über zwei Kontakte (C1, C2) zwischen der Auswerteschaltung und dem Sensorelement übertragen. Über einen weiteren Kontakt (CM) wird elektrisch-kapazitiv der ausgelenkte Zustand der Kammstruktur als Funktion der Beschleunigung gewonnen. Das Substrat des Sensorelements wird hierzu über einen vierten Kontakt, den Substratkontakt (CS) auf einem definierten Potential von einer Auswerteschaltung aus gehalten. Wird dieser Substratkontakt im Betrieb durch fehlerhafte Verbindungstechnik oder Ermüdung getrennt, dann entsteht in Folge dieser hochohmigen oder offenen Verbindung ein driftendes Potential. Durch Feldlinienverschiebungen und zugehörige Auslenkungen der Kammstruktur können Zustände in der elektrostatischen Konfiguration erreicht werden, die denen einer extern anliegenden Beschleunigung entsprechen, ohne dass diese tatsächlich vorliegt. Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen wie ESP, Airbag, Roll-Over, ABS und weiteren kann dies eine Fehlererkennung der elektrischen Verbindung erforderlich machen.
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Im Stand der Technik wird diese Fehlererkennung, insbesondere die Kontakt-/Bondabrisserkennung durch einen weiteren Kontakt sichergestellt. Durch einen eingeprägten Strom über die beiden Kontakte kann bei einem etwaigen Auftrennen einer Verbindung ein Potentialunterschied festgestellt werden. Bei redundanter Ausführung der elektrischen Verbindungen ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich zwei Kontakte, welche die gleiche Funktion erfüllen, auftrennen, gering. Im Zuge der weiteren Miniaturisierung von mikromechanischen Sensoren erweist sich der Platzbedarf von Kontaktflächen und elektrischen Leiterverbindungen jedoch zunehmend als Begrenzungsfaktor.
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Aus der Druckschrift
DE 695 24 854 T2 ist ein mikromechanischer Beschleunigungssensor mit Selbsttestelektroden und einer Selbsttestschaltung bekannt. Die Druckschrift
DE 42 09 140 C1 offenbart ein Airbagsystem mit einem mikromechanischen Beschleunigungssensor und mit einer Prüfeinrichtung, um ein elektrisches Signal an wenigstens eine feste und eine bewegliche Elektrode anzulegen, wodurch zur Prüfung zwischen den Elektroden eine elektrostatische Kraft anliegt. Die Druckschriften
DE 197 43 288 A1 ,
US 6 070 464 A ,
US 5 900 529 A und
US 5 253 510 A zeigen ebenfalls mikromechanische Sensoren mit Selbsttesteinrichtungen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Sensor mit einem mikromechanischen Funktionsteil und einer elektronischen Auswerteschaltung, die mittels elektrischer Leiter miteinander in elektrischer Verbindung stehen. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass Mittel zur Durchführung eines Selbsttests des Sensors derart vorgesehen sind, dass eine Fehlererkennung wenigstens einer elektrischen Verbindung realisiert ist. Der erfindungsgemäße Sensor bietet den Vorteil, dass infolge des vorgesehenen Selbsttestes redundante elektrische Verbindungen entfallen können. Dadurch ergibt sich eine Platzersparnis auf dem Sensorelement und auf der Auswerteschaltung des Sensors. In der Folge ergeben sich geringere Teilekosten.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Sensor einen Betriebszustand aufweist, in welchem der Selbsttest stattfindet und dass der Sensor einen weiteren Betriebszustand aufweist, in welchem ein normaler Messbetrieb stattfindet. Der Sensor kann auf diese Weise zunächst den Selbsttest durchführen, und im Anschluss bei bestandenem Selbsttest den normalen Messbetrieb aufnehmen.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass die Mittel zur Durchführung des Selbsttests des Sensors derart vorgesehen sind, dass der Selbsttest während des normalen Messbetriebs stattfinden kann. Dadurch kann die korrekte Funktion des Sensors jederzeit, auch während der Messungen getestet werden.
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Vorteilhaft ist, dass der Sensor einen kapazitiven Sensor, insbesondere einen Sensor mit einer Differentialkondensatorstruktur darstellt. Kapazitive Sensoren sind in besonderer Weise für Potentialschwankungen und daraus folgende Fehlsignale anfällig.
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Vorteilhaft ist, dass das mikromechanische Funktionsteil auf einem Substrat und die elektronische Auswerteschaltung wenigstens auf einem anderen Substrat angeordnet ist. Bei Anordnung des mikromechanischen Funktionsteils und der Auswerteschaltung auf verschiedenen Substraten ist ein definiertes gemeinsames Potential, welches durch elektrische Verbindungsleitungen geschaffen wird, von besonderer Bedeutung.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass mittels des Selbsttests der Zustand einer Substratverbindung und/oder Masseverbindung zwischen dem mikromechanischen Funktionsteil und der elektronischen Auswerteschaltung prüfbar ist. Fehlmessungen infolge fehlerhafter Substratverbindungen stellen ein schwierig zu detektierendes Problem mikromechanischer Sensoren dar. Der Zustand dieser elektrischen Verbindung ist dazu vorteilhaft bezüglich einer Unterbrechung oder Hochohmigkeit prüfbar.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Selbsttest das Aussenden eines elektrischen Signals von der elektronischen Auswerteschaltung an das mikromechanische Funktionsteil und ein daraus folgendes Sensormesssignal beinhaltet. Auf diese Weise können Messfehler infolge von Potentialänderungen bereits im Testbetrieb abgebildet werden.
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Vorteilhaft ist auch, dass der Selbsttest derart realisiert ist, dass er die elektrische Leitfähigkeit wenigstens einer Verbindung und/oder die Unterbrechung dieser Verbindung bestimmt. Ein etwaiger erhöhter Widerstand einer elektrischen Verbindung oder ihre Unterbrechung sind entscheidende Vorbedingungen für das Auftreten von Potentialschwankungen.
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Vorteilhaft ist also zusammenfassend die Platzersparnis auf dem Sensorelement und der Auswerteschaltung durch Wegfall eines Kontaktes oder Bondlands bzw. eines Doppelbonds bei gleichzeitig hoher Überwachungssicherheit. Vorteilhaft ist weiterhin der geringe Schaltungsaufwand für den Selbsttest durch digitale Signalverarbeitung. Die Kontaktabrisserkennung kann vorteilhaft an einem ohnehin schon vorhandenen Kontakt erfolgen. Bereits ein schlechter werdender Kontakt (langsames Ablösen eines Bonds, Kirkendall-Effekt, ...) kann frühzeitig durch Überwachung des Einschwingverhaltens erkannt werden, bevor es zum totalen Ausfall kommt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1a zeigt schematisch einen mikromechanischen Sensor nach Stand der Technik.
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1b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor mit Fehlererkennung.
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2 zeigt die Abhängigkeit des Sensorausgangssignals von der am Substrat anliegenden Spannung.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor mit Auswerteschaltung in schematischer Darstellung.
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4a zeigt ein mögliches Anregungssignal des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit Fehlererkennung.
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4b zeigt das Testantwortsignal eines korrekt funktionierenden erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit Fehlererkennung.
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4c zeigt Testantwortsignale eines defekten erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit Fehlererkennung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
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1a zeigt schematisch einen mikromechanischen Sensor nach Stand der Technik. Der Sensor umfasst einen mikromechanischen Funktionsteil 10 und eine elektronische Auswerteschaltung 20, zwischen denen elektrische Verbindungen bestehen. Die elektrischen Verbindungen umfassen in diesem Beispiel elektrische Leiter 35, die an Kontaktflächen 30 kontaktiert sind. Zur Übertragung von vier Signalen bestehen hier fünf Verbindungen, d. h., eine Verbindung ist redundant.
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1b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensor mit Fehlererkennung. Der Sensor umfasst einen mikromechanischen Funktionsteil 100 und eine elektronische Auswerteschaltung 200, zwischen denen elektrische Verbindungen bestehen. Die elektrischen Verbindungen umfassen jeweils elektrische Leiter 350, welche an Kontaktflächen 300 kontaktiert sind. Im Unterschied zum Sensor nach Stand der Technik gemäß 1a sind in diesem Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors nur noch vier elektrische Verbindungen vorhanden. Die vormals vorhandene, redundante fünfte elektrische Verbindung ist entfallen. Hierdurch ergibt sich ein Einsparpotential von Chipfläche 110. Die Chipfläche 110 kann zur Verkleinerung des Sensors oder zur Realisierung zusätzlicher Funktionen genutzt werden.
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2 zeigt die Abhängigkeit des Sensorausgangsignals eines mikromechanischen Sensors von der am Substrat anliegenden Spannung. Das Diagramm zeigt ein relatives Sensorsignal S über einer Substratspannung V. Das Sensorsignal ist in diesem Beispiel linear abhängig von der Substratspannung V mit dem Anstieg dS/dV. Andere Abhängigkeiten sind möglich. Die Empfindlichkeit des sogenannten Durchgriffs dS/dV ist hier ebenfalls nur beispielhaft dargestellt. Sie unterliegt verschiedenen Parameter des Sensors und der Auswerteschaltung und ist im System zu bestimmen. In dem hier gezeigten Beispiel ist eine Änderung des Sensorsignals S in der Größe von circa ±20% des Messbereichs bei einer Änderung der Substratspannung V von 5 V dargestellt.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor mit Auswerteschaltung in schematischer Darstellung. Die elektronische Auswerteschaltung 200 umfasst ein Auswertungsmodul 220, ein Anregungsmodul 240, ein Demodulationsmodul 260 sowie ein Bewertungsmodul 280. Das Auswertungsmodul 220 hat die Signalauswertung eines typischen kapazitiven Sensors zur Aufgabe. Es ist über elektrische Verbindungen 350 mit den Elektroden C1, CM und C2 eines Differentialkondensators verbunden. Das Auswertungsmodul 220 wertet die Kapazitätsänderungen des Differentialkondensators aus und erzeugt daraus ein Sensorausgangsignal 225. Die elektronische Auswerteschaltung 200 ist darüber hinaus mittels einer weiteren elektrischen Verbindung 350 mit dem mikromechanischen Funktionsteil 100 verbunden. Diese elektrische Verbindung stellt eine sogenannte Substratleitung 355 dar und ist bei Sensoren im Stand der Technik redundant ausgeführt, oder dient speziell über die Mehrfachausführung der Kontaktüberwachung. Die Kontaktüberwachung erfolgt im Stand der Technik durch einen eingeprägten Strom über die beiden Kontakte. Bei einem etwaigen Auftrennen einer Verbindung kann dann dein Potentialunterschied festgestellt werden.
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In dem hier beschriebenen Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors ist die Substratleitung 355 nur einfach ausgeführt, wird aber mittels einer Selbsttestfunktion überwacht. Die Substratleitung 355 verbindet das Anregungsmodul 240 mit dem Substratkontakt CS. In einem Betriebszustand, beispielsweise nach dem Einschalten des Sensors, sendet nun das Anregungsmodul 240 im Rahmen eines Selbsttestes ein Signalmuster über die Substratleitung 355 an das mikromechanische Funktionsteil 100. In der Folge entsteht gemäß der in 2 gezeigten Abhängigkeit ein Messsignal, welches vom Signalauswertungsmodul 220 in ein Sensorausgangsignal 225 umgewandelt wird. Das Anregungsmodul 240 stellt neben dem Testsignal auch ein Korrelationssignal 245 bereit. Das Korrelationssignal 245 und das Sensorausgangsignal 225 werden dem Demodulationsmodul 260 zur Verfügung gestellt. In dem Demodulationsmodul 260 findet eine korrelierte Demodulation der Signale statt. Ein demoduliertes Ausgangssignal 265 wird dem Bewertungsmodul 280 zur Verfügung gestellt. Im Bewertungsmodul 280 wird aufgrund des ausgewerteten Signalmusters 265 schließlich der Zustand der Substratleitung 355 bewertet und ein entsprechendes Signal 285 ausgegeben.
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Das Messsignal des mikromechanischen Funktionsteils 100 kann in der Auswerteschaltung 220 digitalisiert werden und die gesamte Signalverarbeitung auch des Selbsttestes kann digital erfolgen.
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4 zeigt ein mögliches Anregungssignal eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit Fehlererkennung. Im Diagramm ist die Signalspannung V über der Zeit T dargestellt. In dem hier gezeigten Beispiel wird von dem Anregungsmodul 240 ein periodisches, rechteckiges Testsignalmuster 400 ausgesendet. Andere Signalformen sind aber ebenso denkbar.
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In 4b ist die Testsignalantwort eines korrekt funktionierenden Sensors dargestellt. Das Diagramm zeigt das Sensorsignal S aufgetragen über der Zeit T. das Signalmuster 420 stellt das Antwortsignal auf das Testsignalmuster 400 dar. Das Signalmuster 420 als das Antwortsignal folgt in seinem zeitlichen Verlauf praktisch verzögerungsfrei dem Testsignalmuster 400. Die Potentialverbindung zwischen der Auswerteschaltung 200 und dem mikromechanischem Funktionsteil 100 ist also niederohmig oder hochgradig leitfähig und damit intakt.
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4c stellt die Signalantwort eines defekten Sensors dar. Das Diagramm zeigt das Sensorsignal S aufgetragen über der Zeit T. Das erste im Diagramm dargestellte Signalmuster 440 deutet auf eine hochohmige oder wenig leitfähige Substratleitung 355 hin. Durch das Testmuster 400 vorgegebenen Potentialänderungen folgt der mikromechanische Funktionsteil nur zeitverzögert. Das zweite im Diagramm dargestellte Signalmuster 460 zeigt das Fehlen jeglicher Abhängigkeit des Sensorausgangsignals vom Testsignalmuster 400 Der Wiederstand wäre also praktisch unendlich oder die Leitfähigkeit gleich Null. Dieser Umstand lässt auf eine völlige Unterbrechung der Substratleitung 355, beispielsweise bedingt durch den Abriss der elektrischen Leiterverbindung von einer Kontaktfläche, oder durch den Riss des Leiters der Substratleitung 355 selbst, schließen.
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Zusammenfassend können Aufbau und Funktion des erfindungsgemäßen Sensors wie folgt beschrieben werden. Das Substratpotential des Sensors wird im laufenden Betrieb außerhalb der Testphase für Bondabrisserkennung durch eine Verbindung zu einer konstanten Referenzspannung wie z. B. Masse (GND) oder im Fall einer symmetrischen Spannungsversorgung zu einem Wert wie z. B. dem Mittenwert (VDD/2) definiert. Das Ausgangssignal des kapazitiven Meßsystems ist damit nur von den auf die seismische Masse einwirkenden Massenträgheitskräften oder elektrostatischen Feldkräften abhängig. In einer Testphase können durch definierte Änderung des Substratpotentials des mikromechanischen Funktionsteils 100 mittels eines Testsignalmusters 400 Änderungen in der Konfiguration der elektrostatischen Kräfte innerhalb des Sensors erzeugt werden, die eine zusätzliche, auf die seismische Masse einwirkende Kraft etablieren. Durch diese zusätzliche Kraft wird dem normalen Ausgangssignal des Sensors ein weiteres Signal additiv überlagert. Höhe und zeitlicher Verlauf dieses Signals sind entsprechend dem Testsignal 400 wohl definiert. Dazu ist in der Auswerteschaltung 200, die beispielsweise als ASIC Schaltkreis ausgestaltet ist, ein Anregungsmodul 240 vorgesehen, mit dessen Hilfe verschiedene Spannungen an den Substratkontakt CS des mikromechanischen Funktionsteils 100 angelegt werden können. Das Anregungsmodul 240 ermöglicht es ferner, arbiträr das Muster der Spannungen über den zeitlichen Verlauf zu bestimmen. Durch die verschiedenen Spannungen an dem Sensorsubstrat treten im zeitlichen Ablauf Änderungen des Ausgangssignals des Meßsystems auf, die durch korrelierte Demodulation von einem überlagerten Beschleunigungssignal bereinigt werden können. Das so bereinigte Signal kann anschließend über Toleranzprüfungen im Bewertungsmodul 280 bewertet werden. Dabei kann mittels verschiedener Testsignalmuster 400 das Substratpotential und damit der Zustand der Substratleitung 355 geprüft werden, um auf einen vollständigen Abriss oder eine Hochohmigkeit der elektrischen Verbindung zu schließen. Für verschiedene Anwendungen können unterschiedliche Muster verwendet werden, sodass sich das Ausgangssignal durch entsprechende korrelierte Demodulation von wahren Sensorsignalen, also beispielsweise Beschleunigungssignalen bereinigen und auswerten lassen kann. Der erfindungsgemäße mikromechanische Sensor kann insbesondere ein Inertialsensor wie zum Beispiel ein Beschleunigungssensor oder ein Drehratensensor sein.
