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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Gasdrucksensor für ein Kraftfahrzeug
bzw. ein Verfahren zum Prüfen eines solchen Gasdrucksensors
nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
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Aus
DE 102 10 925 A1 ist
ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit
eines Drucksensors, insbesondere eines Luftdrucksensors bekannt. Dabei
werden Luftdrucksensoren dadurch auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft,
dass das Signal des zu überprüfenden Luftdrucksensors
mit dem Signal eines weiteren Luftdrucksensors verglichen wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gasdrucksensor bzw. das erfindungsgemäße
Verfahren zum Prüfen eines solchen Gasdrucksensors mit
den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche
haben dem gegenüber den Vorteil, dass erfindungsgemäß ein
physikalischer Selbsttest durch den Gasdrucksensor selbst möglich
ist. Der physikalische Selbsttest prüft die Funktionstüchtigkeit
der Membran zur Gasdruckmessung, indem eine Prüfschaltung
die wenigstens eine Membran mit wenigstens einem Magnetfeld zu einer
Auslenkung veranlasst und ein Messsignal infolge dieser Auslenkung
auswertet. Die Prüfschaltung gibt in Abhängigkeit
von dieser Auswertung ein Signal aus, wobie dieses Signal die Funktionstüchtigkeit
der wenigstens einen Membran anzeigt.
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Damit
können in einer einfachen Art und Weise physikalische Defekte
der Membran, wie beispielsweise ein Membranriss oder Verschmutzungen,
die sich als zusätzliche Masse in einem anderen Schwingungsverhalten
ausdrücken, Versteifungen, Wie beispielsweise Frost, auf
die erfindungsgemäße Art und Weise bzw. mit dem
erfindungsgemäßen Gasdrucksensor erkannt werden.
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Durch
die Anregung mit einem Magnetfeld ist eine berührungslose
Anregung mit minimalem Aufwand möglich. Die Auswertung
kann beispielsweise durch einen Signalvergleich des Messsignals
mit einem erwarteten Signal durchgeführt werden. Eine zu große
Abweichung zeigt einen der o. g. Defekte der Membran an.
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Vorliegend
ist ein Gasdrucksensor, beispielsweise ein Luftdrucksensor, wobei
jedoch auch andere Gase gemessen werden. Als vorzugsweise Anwendung
des erfindungsgemäßen Gasdrucksensors bzw. des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Luftdrucksensor
zur Aufprallerkennung. Mit solchen Luftdrucksensoren können
beispielsweise sehr schnell Seitenaufprallsituationen analysiert
werden. Erfindungsgemäß weist der Gasdrucksensor
wenigstens eine Membran auf. Es ist möglich, dass mehr
als eine Membran vorgesehen ist. Die Membran ist üblicherweise
mikromechanisch hergestellt, es kann sich jedoch auch um eine anders
hergestellte Membran handeln. Die Membran bewegt sich infolge einer Druckänderung,
was sich in veränderten elektrischen Parametern von Piezoelementen
ausdrückt. Beispielsweise kann eine solche Membran an 4
Seiten Piezoelemente aufweisen. Die Membranverbiegung wird durch
Bildung einer Wheatstone-Brücke aus diesen 4 Elementen
gemessen.
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Der
erfindungsgemäße Gasdrucksensor weist eine Elektronik
auf, die ihre Funktionen hard- und/oder softwaremäßig
ausführt. Die Prüfschaltung kann daher beispielsweise
hard- und/oder softwaremäßig ausgeführt
sein, wobei die Prüfschaltung folgende Eigenschaften aufweisen
muss: Sie muss ein Steuersignal erzeugen, das zu einer magnetischen Beeinflussung
der Membran führt und so eine Auslenkung bewirkt. Die Prüfschaltung
muss weiterhin das Messsignal infolge dieser Auslenkung aufnehmen
und auswerten. Infolge dieser Auswertung gibt die Auswerteschaltung
ein Signal aus, das die Funktionstüchtigkeit der wenigstens
einen Membran anzeigt. Die Prüfschaltung weist daher Eingänge
zur Erfassung des Messsignals und Ausgänge zur Ansteuerung
der magnetfelderzeugenden Elemente auf. Darüber hinaus
liegt ein Ausgang vor, der das Signal ausgibt, das die Funktionstüchtigkeit
der Membran anzeigt.
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Das
Signal kann daher im einfachten Fall aus einer 0 oder einer 1 bestehen,
wobei der eine Zustand die Funktionsfähigkeit anzeigt und
der andere die fehlende Funktionstüchtigkeit.
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Durch
die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen
des in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen
Gasdrucksensors bzw. des in den unabhängigen Patentansprüchen
angegebenen Verfahrens zur Prüfung eines solchen Gasdrucksensors
bekannt.
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Es
ist vorteilhaft, dass zur Erzeugung des wenigstens einen Magnetfelds
wenigstens ein Elektromagnet vorgesehen ist. Elektromagneten können im
Gasdrucksensor an verschiedenen Orten angebracht werden. Solche
Elektromagnete können auch in kleiner Bauweise bereitgestellt
werden. Sie sind jedoch umso kostengünstiger, umso größer
sie ausfallen können. Als Alternative kommen Mikrostrukturen in
Frage, die magnetfelderzeugende Strukturen darstellen. Zu solchen
Strukturen zählen beispielsweise spulenartige Strukturen
oder andere Strukturen, mit denen eine Induktivität nachgebildet
werden kann.
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Für
die Anregung ist die wenigstens eine Membran zumindest teilweise
derart metallisiert, dass die wenigstens eine Membran sich unter
dem Einfluss des wenigstens einen Magnetfelds auslenkt. Die Metallisierung
erleichtert die Einflussnahme durch das Magnetfeld auf die Membran,
wobei auch die Metallisierung für diesen Zweck als geeignet
vorgesehen sein muss.
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Vorteilhaft
ist, dass die Prüfschaltung zur Veranlassung wenigstens
eines magnetischen Wechselfelds vorgesehen ist. Mit einem Wechselfeld können
besonders gut die Eigenschaften der Sensormembran bestimmt werden.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, dass die Anregung der Membran durch die
Prüfschaltung impulsartig erfolgt. Mit dieser impulsartigen
Anregung kann das freie Ausschwingen der Membran anhand des Messsignals
eingehend analysiert werden.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, dass die Prüfschaltung zur Anregung
der wenigstens einen Membran im Bereich der Eigenresonanz der Membran vorgesehen
ist. Damit können dann besonders markante Signale in Bezug
auf eine große Amplitude ausgewertet werden. Insbesondere
ermöglicht dies die Güte der Sensormembran als
Oszillator zu bestimmen und anhand der Güte die Funktionsfähigkeit der
Membran nachzuweisen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Steuergeräts zur Ansteuerung von
Personenschutzmitteln mit angeschlossenen Komponenten,
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2 ein
Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gasdrucksensors,
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3 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine
Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Gasdrucksensor,
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5 eine
Querschnittsdarstellung und
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6 eine
weitere Querschnittsdarstellung.
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1 zeigt
ein Fahrzeug Fz mit 2 Luftdrucksensoren PPSR und PPSL als den erfindungsgemäßen
Gasdrucksensoren. Diese Luftdrucksensoren PPSR und PPSL sind in
den jeweiligen Türen TR und TL des Fahrzeugs FZ verbaut.
Die Luftdrucksensoren PPSR und PPSL übertragen ihre Daten
an ein Steuergerät SG zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln
PS wie Airbags oder Gurtstraffer. Dabei übertragen die
Luftdrucksensoren PPSR und PPSL ihre Daten an die Schnittstelle
IF, die diese Daten in ein SPI-Format (Serial Peripherial Interface)
umwandelt und über den SPI-Bus u. a. an den Mikrocontroller μc überträgt.
Beispielhaft sind hier nur die Komponenten, die zum Verständnis
der Erfindung notwendig sind, dargestellt.
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Der
Mikrocontroller μC als der Auswerteschaltung wertet die
empfangenen Signale aus und rechnet damit seinen Auswertealgorithmus.
Trifft der Mikrocontroller μC eine Auswerteentscheidung,
dann überträgt er ein entsprechendes Ansteuerungssignal wiederum über
den SPI-Bus an die Ansteuerschaltung FLIC, die elektrisch steuerbare
Leistungsschalter u. a. aufweist, um im Falle einer Ansteuerung
diese auch vornehmen zu können. Dabei werden dann die Personenschutzmittel
PS angesteuert, bei denen es sich um Airbags, Gurtstraffer, Fahrzeugteile
usw. handeln kann.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gasdrucksensors
PPS. Eine Sensormembran M weist einen metallisierten Bereich MT auf,
der unter dem Einfluss eines Magnetfelds des Elektromagneten MA
angezogen oder abgestoßen wird. Dies bewirkt, dass sich
die Membran entsprechend bewegt. Die Messsignale MS werden an einen Messverstärker
V weitergegeben, der diese an einen Analogdigitalwandler AD, 20,
weitergibt. Dieser Analogdigitalwandler digitalisiert das Messsignal
und übertragt es zur Auswerteschaltung AU. Diese Auswerteschaltung
AU, vorliegend als ASIC ausgebildet, gilt als Prüfschaltung
gemäß dem Patentanspruch. Die Auswerteschaltung
AU überträgt ein Steuersignal an die Ansteuerung
AN, die wiederum den Elektromagneten MA ansteuert, um die Sensormembran in
Schwingungen zu bringen. Anhand des dabei entstehenden Messsignals
kann auf die Integrität und die Funktionsweise der Gasdrucksensorik
geschlossen werden.
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Erfindungsgemäß führen
die Luftdrucksensoren PPS den Selbsttest, beispielsweise zu Beginn des
Einschaltvorgangs oder zyklisch durch, indem sie die Magnetansteuerung
MA aktivieren, um die Membran M durch die Anziehungs- bzw. Abstoßungskraft
mit der Metallisierung MT zu einer Auslenkung führt. Die
Auslenkung schlägt sich im Messsignal MS wieder, anhand
dessen auf die Funktionstüchtigkeit der Membran M geschlossen
werden kann, da Verschmutzungen, Versteifungen oder Schäden
an der Membran M sich in einem veränderten Messsignal MS
ausdrücken. Dazu kann die Auswerteschaltung AU beispielsweise
abgespeicherte Daten heranziehen, um einen Vergleich zu einem erwarteten
Wert herzustellen. Das entsprechende Signal, das die Funktionstüchtigkeit
anzeigt, kann intern weiterverarbeitet werden oer über
die Leitung zum Steuergerät SG übertragen werden,
um dort beispielsweise in einem Fehlerspeicher abgespeichert zu
werden. Dies dient auch dazu, dass das Steuergerät SG die
Sensordaten eines Sensors mit defekter Membran nicht mehr weiterverwendet.
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Vorliegend
hat der Messverstärker das Bezugszeichen V und der Analogdigitalwandler
das Bezugszeichen 20.
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3 zeigt
in einem Flussdiagramm das erfindungsgemäße Vefahren.
In Verfahrensschritt 300 erfolgt die Anregung der Membran
durch das Magnetfeld, das infolge eines Ansteuersignals von der Prüfschaltung,
beispielsweise durch einen Elektromagneten, erzeugt wird. In Verfahrensschritt 301 wird
das Messsignal infolge der Auslenkung aufgenommen und in Verfahrensschritt 302 bewertet.
Infolge dieser Auswertung wird erkannt, ob die Sensormembran verschmutzt
oder beschädigt ist. Das entsprechende Signal wird in Verfahrensschritt 303 erzeugt
und weitergegeben.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf den Gasdrucksensorchip. Schraffiert 40 ist
die Beschaltungselektronik um die eigentliche Sensormembran 41 dargestellt.
In der Mitte der Sensormembran 41 ist eine stelle kreisrund
mit magnetischem Metall 42 beschichtet bzw. bedampft. Die
Geometrie der Aufbringung des Metalls oder des magnetischen Materials muss
nicht kreisförmig sein.
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5 zeigt
einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Luftdrucksensors.
Der Luftdrucksensor weist ein Gehäuse 50 und ein
Druckeinlasskanal 51 auf. Die Membran 52 weist
eine selektive Bedampfung 53 auf, die unter dem Einfluss
des Magnetfelds des Elektromagneten 55 abgestoßen
oder angezogen wird und so die Membran 52 zu einer Auslenkung
im gestrichelten Bereich 54 veranlasst.
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Diese
Auslenkung drückt sich in einem Messsignal nieder, das
erfindungsgemäß ausgewertet wird und in Abhängigkeit
von dieser Auswertung erfolgt die Ausgabe des Signals, ob die Membran 52 funktionstüchtig
ist, oder nicht. Die Membran 52 kann durch Anregung mit
einem magnetischen Puls oder einem magnetischen Wechselfeld in Bewegung
gebracht werden. Der kleine Elektromagnet 55 wird vorliegend
anstatt einer anregenden induktiven Struktur unterhalb des von der
Membran und vom Chip eingeschlossenen Referenzvakuums verwendet.
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6 zeigt
eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen
Gasdrucksensors. Wiederum legt das Gehäuse 60 und
der Druckeinlasskanal 61 sowie die Membran 62 die
bedampfte Steile 63 und die maximale Auslenkung 64 der
Membran vor. Der Elektromagnet 65 ist vorliegend jedoch
oberhalb der Membran 62 vorliegend im Trockenraum innerhalb
des Luftgasdrucksensors, also außerhalb des Sensoreinlasskanals,
vorgesehen. Da vorliegend typischerweise mehr Platz zur Verfügung
steht, können vorliegend größere Elektromagneten
oder mehr als ein Elektromagnet verwendet werden. Diese Elektromagneten
sind derzeit billiger als aufwändige Mikrostrukturen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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