CN104204816B - 具有至少一个微机械传感器元件的用于车辆中的乘员保护系统的加速度传感器 - Google Patents

具有至少一个微机械传感器元件的用于车辆中的乘员保护系统的加速度传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种加速度传感器(1)，其具有两个冗余地设置的微机械传感器元件(2，3)，其具有冗余的信号路径，所述冗余的信号路径分别具有一个A/D转换器(4，5)，为了借助监视装置(8，9，10)合理性验证所述加速度传感器(1)的输出信号(14，15)，根据本发明提出，所述监视装置(8，9，10)包括集成在所述分析处理单元中的用于传感器元件(2，3)的等效电路(8)和冗余的另一A/D转换器(9)，所述另一A/D转换器根据所有A/D转换器(4，5，9)的共同运行参数转换所述等效电路的固定的、与加速度无关的输出信号。由此可以基于两个A/D转换器(4，5)的干扰探测安全气囊的误触发。

Description

具有至少一个微机械传感器元件的用于车辆中的乘员保护系 统的加速度传感器
技术领域
本发明涉及一种用于车辆中的乘员保护系统的加速度传感器，其具有用于加速度采集的至少一个微机械传感器元件并且具有电子分析处理单元，所述分析处理单元对于每一个传感器元件具有一个冗余的信号路径，所述信号路径分别具有一个A/D转换器，其中为了合理性验证加速度传感器的输出信号设有用于监视至少一个A/D转换器的对于功能性而言重要相关的参数的装置。
背景技术
例如由DE 103 06 707 B4已知一种根据所述分类的加速度传感器。
普遍已知的是，为了在碰撞时保护车辆乘员借助车辆中的不同位置处的加速度传感器来检测加速度值并且根据所检测的加速度值借助控制设备触发约束装置——如安全气囊和安全带。然而，必须在干扰方面监视所述保护系统，因为尤其在行驶期间约束装置的由干扰决定的、不期望的触发可能随之带来车辆成员和其他人员的危害。所述误触发的原因可能已经在加速度传感器的层面上出现——例如电磁入射、热负载或者传感器的供电电压的干扰。
为了防止已经在加速度传感器的层面上发生安全气囊的误触发，通常在传感器中设置两个冗余的微机械传感器元件(MEMS：MicroElectro-Mechanical Systems：微机电系统)，它们相互进行合理性验证。然而，当由两个传感器元件输出的信号借助共同使用的传感器自身的A/D转换器读取到控制设备的微控制器中时，在A/D转换器的干扰时尽管传感器元件冗余仍发生误触发。为了防止这些，以上描述的根据分类的现有技术提出，将加速度传感器中的冗余扩展到整个信号路径上，从而对于每一个传感器元件提供一个自身的A/D转换器。因为A/D转换器对其周围环境条件或者运行条件——例如供电电压波动、温度或老化敏感地做出反应，所以还需要在特定极限保持方面(例如在欠压或EMV干扰(EMV：电磁兼容性)方面)监视共同用于两个A/D转换器的、对于功能性而言重要相关的参数。偏离所述极限(尽管不存在加速度)可能在两个信号路径中导致共模信号并且因此导致有错误的加速度信号。然而，例如对于欠压识别、EMV识别、用于A/D转换器的参考电压和电流识别而言，这种冗余在A/D转换器的供电方案中的实现或者所需的监视装置或者监视器的实现是成本耗费并且芯片面积耗费的。
发明内容
因此，本发明的任务是，实现一种开始所述类型的改善的、尤其简化的加速度传感器。
本发明的任务通过根据权利要求1所述的加速度传感器来解决。由从属权利要求和说明书得到本发明的其他有利构型。
在根据本发明的加速度传感器中，监视装置包括集成在分析处理单元中的用于传感器元件的等效电路和冗余的另一A/D转换器，所述冗余的另一A/D转换器对对于功能性而言重要相关的参数的变化做出与至少一个A/D转换器(4，5)相同方向的反应。所述另一A/D转换器(9)转换等效电路的固定的、与加速度无关的输出信号，其中用于确定所有A/D转换器的对于功能性而言重要相关的参数的变化的所述另一A/D转换器(9)的数字输出信号的值借助比较器(13)与预给定的、固定的极限(12)进行比较。
本发明所基于的构思在于，实现冗余的监视信号路径，其监视A/D转换器或安全A/D转换器对干扰作出与信号A/D转换器相同方向的反应，所述干扰同样地涉及所有A/D转换器的对于功能性而言重要相关的参数。但在监视A/D转换器的输出信号上施加的干扰可以容易地探测到(与在信号A/D转换器的输出信号的情况下不同)，因为其可能不源于真实的加速度信号而是根据监视A/D转换器的固定的、与加速度无关的输入信号直接映射干扰，所述输入信号由等效电路生成，所述等效电路拷贝或者模仿真实的微机械传感器元件的特性(更准确地说：其静止状态)。只要在监视A/D转换器的输出信号中出现这种干扰或者只要超过可预给定的公差阈值，则随后不再将信号A/D转换器的输出信号评估为“合理的”而评估为“有错误的”。
本发明的加速度传感器具有以下优点：通过简单的方式——基本上通过在分析处理单元中实现另一个结构相同的A/D转换器——实现供电或者监视方面的冗余，或者在预给定的极限的保持方面合理性验证A/D转换器的共同情况。由此可以节省由研发开销导致的成本并且节省分析处理单元的ASIC上的面积。
根据本发明的第一扩展方案，加速度传感器或者提供合理性检验的结果连同用于外部评估的分析处理信号或者防止加速度传感器的内部评估为“有错误”的输出信号的输出。因此有利地可选地可以在外部的控制设备中或者在加速度传感器自身中进行合理性的评估。
在本发明的视为特别有利的另一种扩展方案中，在分析处理单元中集成有用于传感器元件的至少一个另外的等效电路，其分别生成与所述等效电路不同的、固定的输出信号，从而用于检验监视装置的功能性的另一A/D转换器的输入信号可通过从所述等效电路至另一等效电路的切换变化。通过这种方式，可以连续检验对于功能性而言重要相关的参数自身的监视或者监视器的功能性。
附图说明
以下根据实施例进一步描述本发明。附图示出：
图1示出示意图，其阐明对于正常情形根据本发明的加速度传感器的一种实施的组件和功能；
图2以相同的示图示出对于故障情形的阐述。
具体实施方式
以下实施例从安全气囊出发，借助具有集成在所谓的45度应用中的两个传感器元件的单个加速度传感器来合理性验证所述安全气囊的触发。在此，在碰撞的情形中借助两个微机械元件(MEMS)(其设置在加速度传感器的第一芯片上)测量加速度并且然后由ASIC(加速度传感器的第二芯片)上的分离的A/D转换器转换所述加速度。来自两个分离的MEMS通道的所述数字加速度信息传输给安全气囊控制设备用于处理，并且在评估所述数字加速度信息之后可以点火安全气囊。为了不由于ASIC上的单个故障导致传感器的两个通道的输出端上的共模信号或者差模信号，以自身已知的方式通过空间上分离的A/D转换器来引导ASIC上的加速度信息。
为了在有错误的信号的生成方面监视两个信号A/D转换器的共同的周围环境条件或者输入参数，为了监视根据本发明使用信号A/D转换器的直接拷贝、即第三A/D转换器，其在空间上与第一和第二A/D转换器分离地同样实现在ASIC上。由此确保所述监视A/D转换器对周围环境变化或者运行参数变化的反应与受干扰的信号A/D转换器施加在其相应的输入信号中的变化具有相同方向。在此，第三监视A/D转换器转换(当然在加速度方面)MEMS元件的在ASIC上以等效电路的形式保存的拷贝的保持不变的、然而取决于对于功能性而言重要相关的参数的信号。因为用于加速度采集的微机械传感器元件通常具有以表面微机械产生的不可运动的和可运动的梳状结构，所述梳状结构共同构成具有取决于加速度的可变的电容的电容器，所以用于“传感器元件拷贝”的等效电路优选具有与静止状态中的原微机械传感器元件相同的(然而不可变的)电容C。此外，等效电路可以具有电阻R，所述电阻R如此确定大小，使得监视A/D转换器具有与真实传感器元件中的阻抗相同的阻抗。
然后，将第三A/D转换器的输出端上的所转换的值与一个固定的极限进行比较。如果例如出现所有A/D转换器的参考电压的失效，则这在信号A/D转换器中导致共模加速度，由于缺少加速度在信号A/D转换器的输入端上没有信号。因为监视A/D转换器位于相同的参考上，所以其在输出信号中示出跳跃。所述跳跃可能超过先前设置的公差极限并且因此不合理性验证信号A/D转换器的数字加速度信息，而是标记为“有错误”。因此，不发生安全气囊的误触发。此外，除共同使用的参考电压的失效以外，可以监视信号A/D转换器的以下其他重要共同参数：
-供电上的尖峰和噪声，例如由EMV引起
-由温度或老化引起的信号A/D转换器的灵敏度变化
-共同使用的所有电压和电流
在图1中示出正常情形，在所述正常情形中存在加速度。在图1的左侧部分中以在加速度传感器1的外部表示的小的加速度示图18的形式说明真实存在的加速度。在第一微机械传感器元件2中生成、在所属的分配给所述MEMS通道或者信号路径的第一A/D转换器4中转换以及由装置6数字地准备(滤波或者接口功能)所属的加速度信号。同样示出了具有第二传感器元件3、所属的第二A/D转换器5和用于数字信号处理的装置7的冗余构型的第二MEMS通道或者第二信号路径。在示出的情形中，传感器1的两个通道以正确的方式生成相同的、经合理性验证的输出信号14和15(比较分别在图1的右侧部分中说明的数字数据字)。在此所假设的正常情形(加速度；没有干扰)中，等效电路8生成设置的、与加速度无关的标准值，所述标准值由监视A/D转换器9转换并且由装置10、尤其比较器13检查所属的输出信号11是否位于预给定的公差极限12内。这在此是这种情形，因为根据假设没有干扰，即不存在不正常的或者改变的、对于功能性而言重要相关的参数，第三A/D转换器可能对所述参数作出反应。三个A/D转换器4、5和9通常有利地构造为自身已知的所谓的三角积分调制器(Sigma-Delta调制器)。
随后，数字输出信号14和15与监视信号11共同传输给外部的控制设备。在那里，在单元20中可以根据监视信号11将两个输出信号14和15评估为“合理的”，而在另一个单元19中必要时仍对两个输出信号14和15相互进行合理性验证。然而，也可以在传感器内部进行根据监视信号11的评估，从而加速度传感器1完全仅仅发出经合理性验证的输出信号14和15。
在图2中以与图1中相同的示图示出故障情形，在所述故障情形中不存在加速度，因此通过干扰(更准确地说：在图2中说明的电压波动16)触发信号A/D转换器4和5的输出端上的信号。如示出的那样，所述电压波动16通过供电连接端17以相同的方式施加在所有A/D转换器4、5和9上。因为传感器1的两个通道2、4、6和3、5、7以相同的方式受到影响，所以相对合理性验证得出触发情形。因为由于干扰16同样经受相同干扰16的监视A/D转换器9的输出信号11同时超过其固定的极限12(如图2中可看到的那样)，所以可在内部或外部实施的合理性检验然而以正确的方式得出：事实上不存在触发情形。
事实上，即使当附加地也存在真实的加速度从而在所述情形中由干扰16掩蔽真实的输出信号14、15时，也根据干扰存在的假设类似地进行评估(即：没有触发情形！)。
在分析处理单元中，可以有利地集成有用于传感器元件的至少一个另外的等效电路，其分别生成与所述等效电路8不同的固定的输出信号。因此，另一A/D转换器9的输出信号可通过从等效电路8至另一等效电路的切换变化，由此能够进行监视装置8、9、13的功能性的检验。借助另一等效电路近似感应出可选择的干扰，所述干扰仅仅作用于冗余的监视信号路径。

Claims (7)

1.一种用于车辆中的乘员保护系统的加速度传感器(1)，所述加速度传感器具有用于加速度采集的至少一个微机械传感器元件(2，3)并且具有电子分析处理单元，所述电子分析处理单元对于每一个传感器元件(2，3)具有一个冗余的信号路径，所述冗余的信号路径分别具有一个A/D转换器(4，5)，其中，为了合理性验证所述加速度传感器(1)的输出信号(14，15)，设有用于监视所述至少一个A/D转换器(4，5)的对于功能性而言重要相关的参数的装置(8，9，10)，
其特征在于，
所述监视装置(8，9，10)包括集成在所述分析处理单元中的用于传感器元件(2，3)的等效电路(8)和冗余的另一A/D转换器(9)，所述另一A/D转换器对对于所述功能性而言重要相关的参数的变化作出与所述至少一个A/D转换器(4，5)相同方向的反应，所述另一A/D转换器(9)转换所述等效电路的固定的、与加速度无关的输出信号，其中，为了确定所有A/D转换器的对于所述功能性而言重要相关的参数的变化，所述另一A/D转换器(9)的数字输出信号的值借助比较器(13)与预给定的、固定的极限(12)进行比较。
2.根据权利要求1所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述加速度传感器(1)提供所述合理性验证的结果连同所述输出信号(14，15)用于外部评估，或者防止所述加速度传感器(1)的内部评估为“有错误”的输出信号(14，15)的输出。
3.根据权利要求1或2所述的加速度传感器(1)，其特征在于，在所述分析处理单元中集成有用于传感器元件(2，3)的至少一个另外的等效电路，所述至少一个另外的等效电路分别生成与所述等效电路(8)不同的、固定的输出信号，为了检验所述监视装置(8，9，13)的功能性，所述另外的A/D转换器(9)的输入信号能够通过从所述等效电路(8)至另一等电路的切换变化。
4.根据权利要求1或2所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述加速度传感器(1)构造为双通道传感器，其两个冗余设置的传感器元件(2，3)具有不同的传感方向。
5.根据权利要求4所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述双通道传感器具有V形布置的两个传感器元件(2，3)，它们尤其分别相对于对称轴线旋转正/负45°。
6.根据权利要求1或2所述的加速度传感器(1)，其特征在于，所述微机械传感器元件(2，3)在第一芯片中实现，而所述分析处理单元在构造为ASIC的第二芯片中实现。
7.根据权利要求1或2所述的加速度传感器，其特征在于，所述至少一个A/D转换器(4，5)和所述另一A/D转换器(9)分别构造为三角积分调制器。
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