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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für einen Selbsttest eines mikromechanischen Membransensors
sowie ein mit diesem Verfahren ausgestatten mikromechanischen Membransensor.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 10 2006
006890 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Prüfstrukturen
zur Erkennung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen
Bauelements bekannt. In diesem Verfahren werden optische Teststrukturen
auf eine zu inspizierende Membran platziert, so dass anhand dieser
Strukturen ein Maß für die Durchbiegung
abgelesen werden kann. Analog kann eine widerstandsartige elektrische
Teststruktur realisiert werden, deren Wert durch die lithographische
Auflösung
aufgrund der Durchbiegung beeinflusst wird.
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In
der Schrift
DE 101
54 867 A1 wird ein Halbleiterbauelement mit einer Membran
und einer darunter liegenden Kaverne beschrieben, bei dem die Membran
hinsichtlich der Beweglichkeit und der mechanischen Eigenschaften
geprüft
werden kann. Um diese Prüfung
durchzuführen,
wird die Membran durch eine kapazitive Anregung in Schwingungen, insbesondere
in Resonanzschwingungen versetzt, wobei die Beweglichkeit der Membran
anschließend mittels
statischer und dynamischer Kapazitätsmessungen überprüft wird.
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Vorteile der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird die Möglichkeit beschrieben, die
Membran bei einem mikromechanischen Membransensor eigenständig zu
testen. Für
einen derartigen Selbsttest ist erforderlich, dass die Membran ein
Heizmittel sowie ein Mittel zur Erfassung der Auslenkung der Membran
aufweist. Für
den Test wird dabei erfindungsgemäß die Membran mittels des Heizmittels
erwärmt,
so dass diese sich aufgrund der thermischen Ausdehnung des Membranmaterials
durchbiegt. Diese Durchbiegung erzeugt in einem entsprechenden Erfassungsmittel eine
messbare Größe in Abhängigkeit
von der Auslenkung der Membran. Wird bei einer vorgegebenen Erwärmung eine
vorgegebene Auslenkung der Membran erreicht, so kann auf eine funktionsfähige Membran
geschlossen werden. Wird andererseits jedoch diese vorgegebene Auslenkung
nicht erreicht, so kann von einem Membrandefekt ausgegangen werden.
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Durch
einen derartigen dynamischen Test kann vorteilhafterweise der Membransensor,
z.B. ein Drucksensor, während
des Betriebs in regelmäßigen oder
unregelmäßigen Abständen überprüft werden. In
Abhängigkeit
von diesem Selbsttest können
so u.a. fest sitzende, blockierte oder gerissene Membranen erkannt
werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung findet die Überprüfung der Membran sowohl während der Erwärmung als
auch in der Abkühlung
der Membran statt.
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Statt
einer festen vorgebbaren Auslenkung, die bei einer maximalen Heizleistung
erreicht werden kann, kann auch ein Kennfeld vorgesehen sein, in dem
Wertepaare von Heizleistungen bzw. Temperaturen der Membran in Verbindung
mit den bei diesen Werten erreichbaren Auslenkungen gebracht werden.
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Vorteilhafterweise
ist die Überprüfung der Membran
außerhalb
der Messwertaufnahme des Membransensors vorgesehen. Dies kann beispielsweise
vor bzw. während
der Initialisierung des Sensors oder auch zwischen zwei Messwertaufnahmen geschehen.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass der Membransensor zur Erfassung der Sensorgröße eine
Steuerschaltung und/oder eine Auswerteschaltung, z.B. ein ASIC aufweist.
Diese Steuerschaltung kann in einer Weiterbildung der Erfindung
die Ansteuerung des Heizmittels übernehmen,
indem sie den Heizstrom steuert, durch den die Membran erwärmt wird.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der durch die Steuerschaltung
gesteuerte Heizstrom maximal dem Betrag des Betriebsstroms bei der
Erfassung der Sensorgröße entspricht,
um den Sensor bzw. das Sensorelement nicht über Gebühr zu belasten. Der Selbsttest
kann somit als stromneutrale Überwachung
eingesetzt werden, was den Vorteil hat, dass der Aufbau des Sensors
hardwareseitig gegenüber gängigen Sensoren
ohne Selbsttest nicht auf einen höheren Stromeintrag angepasst
werden muss. Dies spielt z.B. bei der Dicke der Zuleitungen auf
dem Sensorelement eine maßgebliche
Rolle.
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Um
ausreichend Leistung für
die Erwärmung des
Heizmittels bzw. der Membran bereitstellen zu können, kann vorgesehen sein,
dass die Steuerschaltung für
die Erwärmung
des Heizmittels Teile der Steuerschaltung abschaltet, z.B. diejenigen
Teile, die zur Durchführung
der Überprüfung nicht
benötigt werden.
Somit wird erreicht, dass das Leistungsbudget des Sensors bzw. des
Systems nicht überschritten
bzw. nicht erhöht
werden muss.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Überprüfung der
Membran in Abhängigkeit
von dem zur Steuerung des Sensors bzw. zur Messwertaufnahme zur
Verfügung
stehenden Stroms in der Steuer- bzw. Auswerteschaltung durchgeführt wird.
So ist beispielsweise denkbar, die Erwärmung der Membran, die den
Hauptteil der benötigten
Leistung bei der Überprüfung der
Membran erfordert, in Phasen durchzuführen, in denen keine Erfassung
von Messwerten vorgesehen ist. Dabei kann vorteilhafterweise das
zu diesem Zeitpunkt brach liegende Leistungspotential der Ansteuerung
des Sensors bzw. der Kommunikation zwischen Sensor und Steuer- und/oder
Auswerteschaltung genutzt werden.
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Durch
Rückführung des
Temperatursignals in den Steuerprozess der Aufheizung kann Schaden am
Sensor durch Überhitzen
von Sensorchip, -membran bzw. -aufbau vermieden werden.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw.
aus den abhängigen
Patentansprüchen.
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Zeichnungen
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Das
Blockschaltbild in 1 zeigt schematisch eine mögliche Realisierung
der Erfindung. In 2 ist ebenfalls schematisch
ein Drucksensor dargestellt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt
werden kann. Die Flussdiagramme in den 3 bis 5 zeigen
unterschiedliche Algorithmen, mit denen der Selbsttest durchgeführt werden kann. 6 zeigt
eine typische Ansteuerung eines Membransensors vor, während und
nach einer Messwertaufnahme.
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Ausführungsbeispiel
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Bei
gängigen
mikromechanischen Membransensoren ist eine intakte Membran die notwendige Voraussetzung,
um einwandfreie und nachvollziehbare Signalgrößen zu erfassen. So schließt bei einem
Drucksensor, wie er in 2 dargestellt ist, eine Membran 220 einen
Hohlraum 210 mit einem Referenzvolumen in einem Substrat 200 ein.
Wird auf die dem Hohlraum 210 abgewandte Seite der Membran 220 ein
zu erfassender Druck 250 geleitet, kann aus der Durchbiegung
bzw. Auslenkung der Membran 220 mit Hilfe von Piezowiderständen 230 auf
die Größe des Drucks 250 geschlossen
werden. Daraus ergibt sich, dass bei einer defekten oder festsitzenden Membran
keine korrekte bzw. reproduzierbare Druckerfassung möglich ist.
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Um
einen Selbsttest von Membransensoren, insbesondere von Drucksensoren,
zu ermöglichen, wird
gemäß der vorliegenden
Erfindung neben den Erfassungsmitteln zur Erfassung der Auslenkung
der Membran ein Heizmittel verwendet, welches die Membran definiert
aufheizen kann. Wie am Beispiel des Drucksensors der 2 gezeigt,
ist das Heizmittel 240 direkt auf der Membran 210 neben
den Piezoelementen 230 angeordnet. Darüber hinaus kann die Anordnung
bzw. Ausgestaltung der Erfassungsmittel bei anderen Membransensoren
jedoch auch anders gestaltet sein. Denkbar sind hierbei z.B. Dehnmessstreifen
oder kapazitive Erfassungsmittel in Form von gegenüberliegenden
Elektroden. Auch die Heizelemente können unterschiedliche Ausprägungen aufweisen.
Denkbar sind z.B. flächige
Heizschichten auf der Membran.
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Die 1 zeigt
eine mögliche
Ausgestaltung der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes. Dabei kann
die gezeigte Struktur sowohl in einem Mikroprozessor als auch in
einer Schaltung realisiert sein. Wie dargestellt, wird eine Verarbeitungseinheit 105 in
einer Steuereinheit 100 eingebettet, die das Heizelement 160 des
Sensors steuert und bei einem Defekt der Membran eine entsprechende
Anzeige 170 z.B. optisch oder akustisch ausgibt. Alternativ
kann der Defekt als Information auch in einem Speicher 110 zur
späteren
Abfrage abgelegt werden. Zur Steuerung des Heizelements 170 bzw.
zur Erkennung eines Membrandefekts ist jedoch notwendig, dass die Verarbeitungseinheit 105 diverse
Daten über
den Zustand des Sensors berücksichtigt.
So kann vorgesehen sein, dass die Verarbeitungseinheit aus einem geeigneten
Block 120 Informationen über die Erfassung vom Messwertsignalen
durch den Sensor erhält.
Dies kann beispielsweise in Form von Initialisierungsanforderungen
oder Messwertabfragen geschehen. Daneben ist jedoch auch denkbar,
die Kommunikation zwischen Sensor und Sensorsteuergerät als Information
hinsichtlich eines geeigneten Zeitpunkts zur Durchführung des
Selbsttests zu verwenden. Weiterhin kann vorgesehen sein, die Parameter der
Membranerwärmung
durch geeignete Mittel aufzunehmen. So kann die Leistungsaufnahme
des Heizelements im Block 130 und/oder die Temperatur der Membran
bzw. des Heizelements durch ein separates Temperaturerfassungsmittel 140 erfasst
werden. Da die Membran üblicherweise
fest eingebaut ist, biegt sich die Membran bei Erwärmung aufgrund
der Ausdehnung des Membranmaterials bzw. durch ungleiche Erwärmung und
Ausdehnung unterschiedlicher Membranbestandteile durch, so dass
die auf oder in der Membran befindlichen Erfassungsmittel 150 die
Auslenkung in Form eines elektrischen Signals erfassen können.
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Zur
Erkennung eines Membrandefekts wird von der Verarbeitungseinheit 105 das
Signal des Erfassungsmittels 150 mit einem Vergleichswert
beispielsweise in Form eines Schwellenwerts verglichen. Erreicht
das Signal des Erfassungsmittels 150 den Vergleichswert
nicht, d.h. ist die Auslenkung der Membran geringer als sie sein
sollte, wird von der Verarbeitungseinheit ein Membrandefekt erkannt. Ein
für diesen
Vergleich verwendeter Vergleichs- bzw. Schwellenwert kann wahlweise
fest vorgegeben sein oder in Form eines Kennlinienfeldes in einem Speicher 110 abgespeichert
sein. Darüber
hinaus kann auch vorgesehen sein, dass Wertepaare, bestehend aus
Heizleistung bzw. Temperatur der Membran in Verbindung mit dem Signal
des Erfassungsmittels, mit den abgespeicherten Vergleichswerten verglichen
werden.
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Typischerweise
wird ein mikromechanischer (Membran-)Sensor mittels einer Schaltung
angesteuert, die vom Sensorelement separiert oder auf diesem integriert
ist. Derartige Schaltungsanordnungen können dabei rein auf die Ansteuerung
des Sensors beschränkt
sein oder auch wenigstens einen Teil der Auswertung der Sensorsignale übernehmen.
Bei der Durchführung
der erfindungsgemäßen dynamischen Membranüberwachung
kann danach unterschieden werden, in welcher Phase der Ansteuerung
sich der Sensor befindet und wie weit die Steuerschaltung Auswerteaufgaben übernimmt.
So kann eine Steuerschaltung, die teilweise auch Auswertefunktionen übernimmt,
selbsttätig
entscheiden, ob eine Signalerfassung vorliegt. Die Flussdiagramme
in den 3 bis 5 stellen so mögliche Algorithmen
vor, die in einer Verarbeitungseinheit 105 innerhalb einer
Steuerschaltung, z.B. einem ASIC abgearbeitet werden können. Während die
Algorithmen in 3 und 4 die Durchführung des
dynamischen Selbsttests in Abhängigkeit
von einer durch die Steuerschaltung veranlassten Initialisierung
des Sensors beschreiben, führt
der Algorithmus in 5 den entsprechenden Test während des
laufenden Betriebs aus, d.h. während
der Sensor zum Zweck der Datenerfassung in regelmäßigen oder
unregelmäßigen Abständen angesprochen
wird.
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Gemäß dem Flussdiagramm
in 3 wird nach Start des Selbsttestes noch vor der
Initialisierung, d.h. der Inbetriebnahme des Membransensors im Schritt 300 das
Heizelement 170 derart angesteuert, dass es sich erhitzt
und so die Membran erwärmt. Die
Ansteuerung kann dabei beispielsweise mit einem Strompegel erfolgen,
der die erlaubten Grenzen für
den Normalbetrieb nicht überschreitet.
Somit wird sichergestellt, dass maximal die Leistung in den Sensor
eingebracht wird, die auch beim normalen Betrieb des Sensors verwendet
wird. Erst nach dieser Erwärmung
werden anschließend
im Schritt 320 die Initialisierungsroutinen des Sensors
durchgeführt,
um die Messwertaufnahme durch den Sensor vorzubereiten. Wie oben
angedeutet, können
derartige Initialisierungsroutinen durch ASICs gesteuert werden,
die in den Sensor integriert sind oder separat dem Sensor zugeordnet
sind. Nach oder auch teilweise während der
Durchführung
der Initialisierung kann dann gemäß Schritt 340 mit
der dynamischen Prüfung
der Membranverbiegung begonnen werden, indem die Abkühlung der
Membran erfasst und mit den abgespeicherten Schwellenwerten verglichen
wird.
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Erreicht
das Signal der Erfassungsmittel dabei nicht den Schwellenwert, so
wird in Schritt 360 ein Membrandefekt erkannt.
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Beim
Algorithmus gemäß 4 ist
vorgesehen, dass zunächst
im Schritt 400 die Initialisierung des Sensors durchgeführt wird,
bevor die Möglichkeit eines
Selbsttests überprüft wird.
Wird im unmittelbar folgenden Schritt 420 ermittelt, dass
eine Anfrage zur Erfassung von Messwerten des Sensors vorliegt, wird
der Algorithmus beendet, ohne dass ein Selbsttest durchgeführt worden
ist. Ist dagegen in Schritt 420 festgestellt worden, dass
keine aktuelle Messwerterfassung gewünscht wird, wird im Schritt 440 ein „Idle-Modus" aktiviert, in dem
Schaltungsteile der Sensorsteuerung bzw. -auswertung weitestgehend inaktiv
geschalten werden. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung
einer geeigneten sog. Clock-Domain erreicht werden, in dem einzelne
Schaltungsteile stromlos geschalten werden. Durch die Abschaltung
der Schaltungsteile erhöht
sich bei konstanter Stromentnahme des Systems Sensor/Steuerschaltung
der für
die Aufheizung des Heizelements in Schritt 460 zur Verfügung stehende
Strom, ohne dass eine gegenüber
dem Normalbetrieb (= Erfassung von Sensormessdaten) erhöhte Stromaufnahme
erforderlich ist. Im Schritt 480 können anschließend während des
Aufheizens der Membran, bei Erreichen einer Maximaltemperatur oder
einer maximalen Durchbiegung der Membran bzw. bei der Abkühlung der
Membran entsprechende Messwerte des Erfassungsmittels mit den abgespeicherten
Schwellenwerten verglichen werden und ggf. ein Membrandefekt erkannt
werden.
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In
dem Algorithmus gemäß 5 wird
vorausgesetzt, dass eine Initialisierung des Sensors bereits stattgefunden
hat und ein Normalbetrieb vorliegt, d.h. eine Situation, in der
in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Messwerte
durch den Sensor erfasst werden. In diesem Fall wird nach dem Start
des Algorithmus in Schritt 500 zunächst geklärt, ob eine aktuelle Messwerterfassung
des Sensors vorliegt. Dies erfolgt vorteilhafterweise durch eine Abfrage
gemäß des eingangs
beschriebenen Blocks 120. So kann z.B. die Kommunikation
zwischen Sensor und Steuergerät
dazu benutzt werden, um eine Möglichkeit
zur Durchführung
des Selbsttests zu finden. Wird z.B. vom Sensor lediglich ein Ruhestrom
IR verbraucht im Betrieb ohne Kommunikation
(siehe 6), so kann für
die Erwärmung
des Heizelements der Strom verwendet werden, der dem Unterschied zwischen
dem mittleren Kommunikationsstrom IMK und
dem Ruhestrom IR entspricht. Bei einer Ruhestromaufnahme
des Sensors von z.B. IR ~ 5 mA und einem
geschalteten Strompegel (= Kommunikationsstrom) von IK ~
20 mA würde
sich so bei einem mittleren Kommunikationsstrom von IMK ~
10 mA ein Strom von 5 mA ergeben, der zur Aufheizung des Heizelements
in Schritt 520 zur Verfügung
steht. Während
bzw. nach der Aufheizung des Heizelements und der Membran in Schritt 520 wird
wie oben bereits geschildert, im nachfolgenden Schritt 540 eine
Erfassung der Auslenkung der Membran vorgenommen. Daraufhin wird
in Schritt 560 in Abhängigkeit
der Auslenkung ein Vergleich mit Schwellenwerten durchgeführt, um
zu entscheiden, ob ein Membrandefekt vorliegt. Wie bereits ausgeführt, kann
dabei neben der Auslenkung der Membran auch die aufgebrachte Heizleistung
oder die erfasste Temperatur der Membran berücksichtigt werden.
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Die
Erfassung der Temperatur während
der Erwärmung
der Membran ermöglicht
die Rückkopplung
der Temperatur und somit einen geregelten Aufheizprozess. Damit
können
z.B. Schädigungen
des Sensors durch Überschreiten
der für
den Aufbau kritischen Temperatur vorgebeugt werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann nach dem Schritt 500, d.h. nach der Erkenntnis, dass keine
aktuelle Signalwertaufnahme des Sensors gewünscht ist, im Schritt 520 entsprechend
dem Schritt 440 ein „Idle-Modus" aktiviert werden.
Durch einen derartigen „Idle-Modus" wird der Sensor
wenigstens für
die Durchführung
des Selbsttestes zur Signalwertaufnahme gesperrt, um keine falschen
Sensorsignale durch die Erwärmung
der Membran zu erzeugen.