CN111272207A - 用于检验mems传感器的传感器值的方法 - Google Patents

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Abstract

介绍了一种用于检验MEMS传感器的传感器值的方法。在此，检测MEMS传感器的输出信号，并且根据输出信号来测定传感器值。此外，检查输出信号的频率成分，并且根据对频率成分的检查来查明：所测定的传感器值是可靠的还是不可靠的。如果所述传感器值被查明为不可靠的，则丢弃所述传感器值，或者对所述传感器值较小地加权，输出关于所述传感器值的不可靠性的警告或者存储关于所述传感器值的不可靠性的信息。

Description

用于检验MEMS传感器的传感器值的方法
技术领域
本发明涉及用于检验MEMS传感器的传感器值的方法以及为此设立的计算机程序。
背景技术
微系统（英语为：microelectromechanical systems（微机电系统），MEMS）的重要性在过去数年已强烈增加。MEMS传感器（诸如基于MEMS的惯性传感器）被采用在无数电子设备和系统中。
微机械加速度传感器例如在DE 400 0903 C1和DE 10 2012 218906 A1中公开。微机械角速度传感器（Drehratensensor）例如由DE 402 2495 A1和DE 10 2017 205 984 A1得知。
在公开文献“Yunmok Son、Hocheol Shin、Dongkwan Kim、Young-Seok Park、Juhwan Noh、Kibum Choi、Jungwoo Choi、Yongdae Kim等人的Rocking drones withintentional sound noise on gyroscopic sensors（在USENIX Security Symposium中的第881-896页，2015年）”中已表明借助声波成功攻击MEMS陀螺仪，该攻击尤其是导致“拒绝服务（Denial of Service）”、那就是说使传感器不起作用。
此外，还借助声波对智能电话的MEMS加速度传感器进行攻击，该攻击在“TimothyTrippel、Ofir Weisse、Wenyuan Xu、Peter Honeyman和Kevin Fu. 的Walnut: Wagingdoubt on the integrity of mems accelerometers with acoustic injection attacks（在Security and Privacy （EuroS&P），2017 IEEE European Symposium中，在第3–18页，IEEE，2017年）”中已予以介绍。此处，利用攻击可能会有针对性地操纵传感器输出信号。
这种对MEMS传感器的攻击可以视传感器的采用而定而表示严重的威胁。MEMS惯性传感器例如可以提供车辆或者飞机中的安全相关的数据，例如用于驾驶员辅助系统、如ABS或者ESP，用于安全系统、如安全气囊（Airbag），以及用于在自动驾驶的情境中的功能。
为了防止这种攻击，反馈电容可能会与传感器电极连接，以便影响传感器的谐振频率和谐振效应，如在US 5,640,133A中和在公开文献“Chihwan Jeong、Seonho Seok、Byeungleul Lee、Hyeonched Kim和Kukjin Chun的A study on resonant frequency andq factor tunings for mems vibratory gyroscopes（Journal of micromechanics andmicroengineering, 14(11):1530，2004年）”中所建议的那样。
公开文献“Grant Roth的Simulation of the effects of acoustic noise onmems gyroscopes（博士论文，2009年）”建议用泡沫包围陀螺仪来作为简单的和有利的防御。
从公开文献“Pregassen Soobramaney的Mitigation of the Effects of HighLevels of High-Frequency Noise on MEMS Gyroscopes（博士论文，2013年）”中已知了一种附加的结构，该附加的结构对谐振频率作出反应，并且减少通过谐振引起的陀螺仪输出的影响。
发明内容
建议了一种用于检验MEMS传感器的传感器值的方法。在此，MEMS传感器尤其是可以是惯性传感器，例如是加速度传感器、角速度传感器或者陀螺仪。但是，该方法也可以在压力传感器、湿度传感器、温度传感器、磁场传感器或者气体传感器中被采用。
检测MEMS传感器的输出信号，并且根据该输出信号来测定（ermitteln）传感器值。为了进行检验，现在建议，检查输出信号的频率成分，并且根据对频率成分的检查来查明：所测定的传感器值是可靠的还是不可靠的。如果传感器值被查明为不可靠的，则丢弃该传感器值，或者对该传感器值较小地加权，输出关于传感器值的不可靠性的警告或者存储关于不可靠性的信息。
以这种方式，可以以简单的方式来检验传感器的完整性或检验传感器的输出信号，而不必修改传感器结构并且通常无需对传感器或者所关联的（zugeordnet）分析电路进行硬件匹配。总之，以此提供了一种经过改进的、因为（weil）更可靠的传感器系统。在此，对不可靠的传感器值的识别可能引起不同的反应。丢弃传感器值可能是最安全的。在例如在冗余的系统中进行传感器融合的情况下，潜在不可靠的传感器信号的较小加权也可能是在技术上更有意义的解决方案。例如，在安全性不怎么重要的功能的区域中，输出的警告或者存储尤其是出于诊断目的也可能是足够的。
在有利的构建方案中，对频率成分就MEMS传感器的传感器结构的固有谐振进行检查。如上面所描述的那样，固有谐振成为许多目前已知的攻击的焦点。利用该检查可以高效地标识出这种攻击。
有利地，可以检查来自输出信号的频谱的至少一个区段的频率成分。不是仅仅检查各个频率，而是因此可以观测整个频率区段的多个频率，这通常能够实现关于攻击的概率的更精确的陈述。
为了特别简单地实施地但是可靠地判定传感器值是否不可靠，尤其是考虑查明超过阈值。例如，被超过的阈值可以针对在确定的频率处或者在确定的频率范围中的振幅指向声学攻击或声学干扰。为此，可以观测各个振幅或者也可以观测振幅平均值。
在另一有利的构建方案中，频谱中的确定的模式也可以被考虑用于识别声学攻击或者干扰。
对输出信号的分析优选地借助硬件电路和计算机程序进行，所述硬件电路例如数字地预处理（aufbereiten）模拟输出信号，所述计算机程序用于分析输出信号，例如通过阈值比较或者模式识别来分析输出信号。在此，计算机程序可以存放在分析电路的存储器或者与传感器关联的或者具有该传感器的系统的存储器中，并且由分析电路或者系统的计算单元来执行。该系统有利地可以是车辆、飞机、机器人或者移动终端设备。如果所测定的传感器值被识别为可靠的，则该系统可以根据该传感器值来操控。如果所测定的传感器值没有被识别为可靠的，则可以进行合适的反应，尤其是丢弃或者较小地加权该传感器值和/或输出相对应的警告和/或存储关于不可靠性的信息。
附图说明
随后参照所附的附图并且依据实施例更详细地描述了本发明。在此：
图1示意性地示出了示例性的MEMS传感器，
图2示意性地示出了用于分析MEMS传感器的框图，以及
图3示意性地示出了MEMS传感器的输出信号的示例性频谱。
具体实施方式
图1示出了MEMS传感器1。MEMS传感器1具有载体晶片11，该载体晶片11的对于其他层14的划定边界通过分离线12来解释清楚。MEMS传感器1具有其他层14，所述其他层14与载体晶片11一起将腔体或者凹处（Kaverne）15包括在内。这些层14可以经由接合方法与层11连接。这些层14也称作所谓的传感器罩。在腔体或者凹处15中优选地产生真空。MEMS传感器1的真正的功能性传感器结构13处于凹处15中并且处于载体晶片11上。
MEMS传感器、诸如MEMS加速度传感器、MEMS角速度传感器或者MEMS陀螺仪由于其复杂的机械结构而常常具有大数目的谐振方式（Resonanzmode）。
对MEMS传感器的攻击如已经描述的那样利用了：可以从外部来激励确定的谐振，尤其是通过声波来激励。由此，可以以对于运行不期望的方式来激励可活动的传感器结构。这可能导致这些结构不期望地偏转，所述偏转又造成被歪曲的输出信号并且因此造成错误测定的传感器值。例如，可以以电容方式来检测这些结构的增强的或者减少的偏转，并且因此例如在加速度传感器中识别出有错误的加速度，或者在角速度传感器中识别出有错误的角速度。
典型地，MEMS加速度传感器设立为使得：在正常运行中，在所有可能的运行状态中或在所有可能的运行条件下不激励这些传感器结构的谐振方式。在MEMS陀螺仪中，传感器结构以具有恒定振幅的运行频率振动。
现在建议了，为了检验传感器值，并且尤其是为了识别通过外部声源引起的干扰（如利用声波的外部攻击），检查输出信号的频率成分。
在图2中，结合分析电路22示意性地示出了MEMS传感器21。在此，分析电路22可以实现为ASIC或者微控制器。分析电路22包括模拟接口221，经由该模拟接口221，分析单元可以与传感器21进行通信，并且尤其是可以接收传感器21的输出信号。模拟输出信号在后续的电路部分222中经受数字信号预处理。在电路部分223中，据此确定可以经由数字接口224来转发的传感器值。
附加于在电路部分223中确定传感器值，例如与在电路部分223中确定传感器值并行地，在电路部分225中，检查经过数字预处理的输出信号的频率成分。根据检查可以查明，所测定的传感器值是可靠的还是不可靠的。该信息同样被转发给数字接口224。
传感器21和分析电路22在此可以优选地嵌入到技术系统中，该技术系统继续处理传感器21的传感器值，并且据此显示输出值，或者据此而被操控或者操控其他单元。在这种情况下，接着优选地考虑对传感器值的可靠性或者不可靠性的查明。
尤其是，传感器21和分析电路22可以嵌入到移动终端设备、如智能电话中，嵌入到车辆中，嵌入到飞机中或者嵌入到机器人中。MEMS传感器尤其是可以是惯性传感器，例如是加速度传感器、角速度传感器或者陀螺仪。尤其是，在自主的或者部分自主的系统中，所建议的方法有利地可投入使用。
对频率成分的检查在此尤其是可以包括对确定的频率的振幅的检查。这样，可以对来自频谱的确定的区段的频率的振幅进行检查，或者对确定的频率（例如固有谐振的频率）进行检查。确定的方式的外部激励（所述外部激励对输出信号有干扰性影响）通常导致在输出信号的频谱中的显著改变，并且可以经由该改变而被探测到。例如，可以计算频谱的特征性的值，或者对该频谱就类似于数字指纹的特征性模式进行检查。也可以限定确定的阈值，该阈值在确定的频率处或者在确定的频率范围中不应被超过。
在图3中示出了来自MEMS传感器的输出信号的频谱的示例性区段，其中Y轴关联于输出信号的振幅A，而X轴关联于输出信号的频率F。对于所示出的频率范围，限定和绘出振幅的阈值32。该阈值32选择为使得：在所观测的频率范围中的超过招致外部声源的干扰性影响，并且由此与输出信号关联的传感器值出于安全原因应被查明为不可靠的。这在图3中的尖峰31的情况下如此，因为他超过了阈值32。这种阈值可以由与该传感器关联的系统要么完全丢弃，要么至少在向所关联的系统传送时配备有警告。
所描述的方法（尤其是对输出信号的频率成分的检查）可以以硬件、以软件或者部分地以硬件和部分地以软件来实现。为此，除了或者代替图2中所示出的电路部分，可以通过计算单元来执行存放在存储器中的计算机程序部分。

Claims (15)

1.一种用于检验MEMS传感器（21）的传感器值的方法，其中检测所述MEMS传感器（21）的输出信号并且根据所述输出信号来测定所述传感器值，其特征在于，
- 检查所述输出信号的频率成分，
- 根据对所述频率成分的检查来查明：所测定的传感器值是可靠的还是不可靠的，以及
- 如果所述传感器值被查明为不是可靠的，则丢弃所述传感器值或者对所述传感器值较小地加权，输出关于所述传感器值的不可靠性的警告或者存储关于所述传感器值的不可靠性的信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述频率成分就所述MEMS传感器（21）的传感器结构的固有谐振进行检查。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检查来自所述输出信号的频谱的至少一个区段的所述频率成分。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述频率成分的至少一个振幅（A）与至少一个阈值（32）进行比较。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将来自所述输出信号的频谱的区段的平均振幅与所述至少一个阈值进行比较，或者将尤其是根据所述MEMS传感器（21）的传感器结构的固有谐振的确定的频率的振幅与所述阈值进行比较，或者将确定的频率范围的振幅（A）与所述至少一个阈值（32）进行比较。
6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对所述频率成分就确定的模式进行检查，或者将所述频率成分与所存储的模式进行比较。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果根据所述检查识别出外部声源对所述MEMS传感器（21）的影响、尤其是用声波对所述MEMS传感器（21）的攻击，则将所述所测定的传感器值识别为不可靠的。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述MEMS传感器（21）是惯性传感器、尤其是加速度传感器、角速度传感器或者陀螺仪。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述MEMS传感器（21）是压力传感器、湿度传感器、温度传感器、磁场传感器或者气体传感器。
10.一种计算机程序，所述计算机程序设立为，执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。
11.一种机器可读的存储介质，其具有根据权利要求10所述的计算机程序。
12.一种设备，其具有计算单元和根据权利要求11所述的存储介质。
13.车辆、飞机、机器人或者移动终端设备，其具有MEMS传感器（21）、分析电路（22）和根据权利要求12所述的设备。
14.一种用于控制根据权利要求13所述的车辆、飞机、机器人或者移动终端设备的方法，其特征在于，如果所测定的传感器值被识别为可靠的，则根据所述传感器值来操控所述车辆、所述飞机、所述机器人或者所述移动终端设备。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，如果所述所测定的传感器值被识别为不可靠的，则针对所述操控丢弃所述传感器值。
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