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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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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 Finktionsteil 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 1l0 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 Parametern 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 5V 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.