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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors sowie
einen Drucksensor, aufweisend eine bewegliche Membran, welche sich über
einem Hohlraum erstreckt, mindestens ein Elektrodenpaar, welches
mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische
Spannung zu einer Auslenkung der Membran führt und Mittel zur
Bestimmung der Auslenkung der Membran. Solche Drucksensoren können
zur Steuerung verschiedener Funktionen in Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden, z. B. zur Motorsteuerung.
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Aus
der
EP 1 310 781 A1 ist
ein Drucksensor mit einer Membran und einem darunter liegenden Hohlraum
bekannt. Der Abstand zwischen der Membran und dem darunter liegenden
Trägersubstrat und damit die Höhe des Hohlraumes
wird kapazitiv gemessen. Durch Druckbeaufschlagung der Membran verändert
sich dieser Abstand. Somit kann aus der kapazitiven Abstandsmessung
auf den auf die Membran einwirkenden Druck geschlossen werden.
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Aus
diesem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, über eine
kapazitive Anregung die Membran in eine Resonanzschwingung zu versetzen,
wobei aus der Resonanzfrequenz und der Güte der Schwingung
auf die Bewegungsfreiheit der Membran, deren Elastizitätsmodul
oder deren Dicke geschlossen werden kann. Die Informationen über
die Beweglichkeit der Membran und deren Struktur werden zur Qualitätssicherung
des Drucksensors eingesetzt.
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Weiterhin
ist aus dem Stand der Technik bekannt, Drucksensoren der eingangs
genannten Art in Druckkammern unterschiedlichen Drücken
auszusetzen und den Abstand zwischen der Membran und dem darunter
liegenden Trägersubstrat zu messen. Aus diesen Messsignalen
können Kalibrierkoeffizienten gewonnen werden, welche in
einem im Drucksensor integrierten Speicher speicherbar sind. Im
Betrieb des Drucksensors wird das Ausgangssignal mit diesen gespeicherten
Kalibrierkoeffizienten beaufschlagt. Dadurch kann einem gemessenen
Kapazitätswert unmittelbar ein Druckwert zugeordnet werden.
Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit ist es bekannt, das
Drucksensorkennfeld bei verschiedenen Temperaturen aufzunehmen und
im Betrieb des Drucksensors zusätzlich eine Temperaturkompensation
des Ausgangssignals vorzunehmen.
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Die
Notwendigkeit der Kalibrierung ergibt sich dabei aus der Tatsache,
dass verschiedene Parameter des Drucksensors, wie z. B. Membrandicke, Kavitätshöhe
und Kantenverlust bei der Herstellung des Drucksensors stark schwanken.
Ebenso ist der Einfluss auf das Messergebnis dieser Parameter unterschiedlich.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Kalibrierung von Drucksensoren zur Verfügung
zu stellen, welches ohne aufwändigen Einsatz einer Druckkammer
auskommt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Kalibrierverfahren und einen kalibrierbaren Drucksensor anzugeben,
welcher während der Anwendung des Drucksensors eine Selbstkalibrierung
ermöglicht und damit das Problem der Langzeitdrift löst.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors, welcher eine
bewegliche Membran über einem Hohlraum aufweist, wobei
zur Kalibrierung die Membran durch eine elektrostatische Kraft ausgelenkt
und diese Auslenkung gemessen wird.
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Weiterhin
besteht die Lösung der Aufgabe in einem Drucksensor, aufweisend
eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum
erstreckt, mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen
Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer
Auslenkung der Membran führt, Mitteln zur Bestimmung der
Auslenkung der Membran und eine Mehrzahl von Schaltelementen, um
jede Einzelelektrode des Elektrodenpaares mit einem ersten elektrischen
Potential oder einem zweiten elektrischen Potential zu verbinden.
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Darüber
hinaus besteht die Lösung der Aufgabe in einem Drucksensor,
aufweisend eine bewegliche Membran, welche sich über einem
Hohlraum erstreckt, mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer
elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische
Spannung zu einer Auslenkung der Membran führt, einen Ladungsverstärker
zur kapazitiven Bestimmung der Auslenkung der Membran und einer
Einrichtung zum Abbau der an die Membran angelegten elektrischen
Spannung.
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Der
Drucksensor im Sinne der vorliegenden Erfindung weist eine Membran
als bewegliches Sensorelement auf, welches beispielsweise mikromechanisch
oder feinwerktechnisch herstellbar ist und durch Einwirkung eines äußeren
Gas- oder Flüssigkeitsdruckes ausgelenkt wird. Das bewegliche
Sensorelement weist eine Rückstellkraft auf, welche das Sensorelement
bei Abwesenheit einer äußeren Kraft in die Ruhelage
bringt. Die Auslenkung kann entweder kapazitiv oder piezoresistiv
gemessen werden.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass zur Kalibrierung eines solchen Drucksensors nicht
notwendigerweise eine durch eine Druckdifferenz hervorgerufene Kraft
auf die Membran des Drucksensors einwirken muss. Im Gegensatz dazu
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Kalibrierung auch
durch eine elektrostatische Kraft erfolgen kann, welche nach Betrag
und Richtung mit der durch Druckbeaufschlagung erzeugten Kraft identisch
ist. Durch Variieren der elektrostatisch erzeugten Kraft lässt
sich damit ebenso wie in einer Druckkammer das Ausgangssignal eines
Drucksensors als Antwort auf unterschiedliche Messgrößen
bestimmen. Aus dieser so bestimmten Antwortfunktion können
Kalibrierkoeffizienten gewonnen und gespeichert werden, beispielsweise
in einem im Drucksensor integrierten Speicher oder in einem mit
dem Drucksensor verbundenen Steuergerät.
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Zur
Erzeugung einer elektrostatischen Kraft auf die Membran ist diese
erfindungsgemäß mit mindestens einer Elektrode
ausgestattet, welche mit einer Wechselspannungsquelle verbindbar
ist. Der zweite Anschluss der Wechselspannungsquelle wird mit einer
Gegenelektrode unterhalb der Membran verbunden. Dies eröffnet
weiterhin die Möglichkeit, die Kalibrierung jederzeit nicht
nur im Herstellwerk, sondern auch durch den Benutzer fortlaufend
im Betrieb oder zu vorgebbaren Zeiten durchzuführen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Tatsache,
dass die Membran mit der darunterliegenden Kavität und
der Gegenelektrode einen Plattenkondensator darstellt. Die Kapazität
dieses Kondensators ist durch die Fläche der Membran und
der darunter liegenden Gegenelektrode und deren Abstand bestimmt.
Die elektrostatische Kraft bei Anlegen einer Spannung ist vom Betrag
der elektrischen Spannung und dem Abstand zwischen der Membran und
der darunter liegenden Gegenelektrode abhängig. Da dieser
Abstand bei der Herstellung einer Vielzahl von Sensoren größere
Abweichungen bis 10% aufweisen kann, muss er vor der Kalibrierung
durch Messung bestimmt werden. Nachdem der Abstand bestimmt ist,
kann durch Anlegen einer definierten Spannung eine definierte Kraft
auf die Membran ausgeübt werden. Diese dient dann der Bestimmung
der mechanischen Eigenschaften der Membran, wie Dicke und mechanische
Spannung, welche das Ausgangssignal des Drucksensors maßgeblich
beeinflussen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
Höhe der Kavität, also der Abstand der Membran
und der darunter liegenden Gegenelektrode, durch eine Messung der
Grundkapazität ermittelt, ohne dass eine Kraft auf die
Membran einwirkt. Im Sinne dieser Erfindung wird dabei eine Membran
als frei von äußeren Kräften bezeichnet, wenn
keine elektrostatische Kraft auf die Membran einwirkt und bevorzugt
auch keine Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Membran auftritt.
Im Falle eines Differenzdrucksensors können dazu beide Seiten
mit einem identischen Referenzdruck verbunden werden, beispielsweise
dem Umgebungsdruck. Im Falle eines Drucksensors für hohe
Drücke kann der Einfluss des normalen Umgebungsdruckes
so niedrig sein, dass die Membran unter normalen Umgebungsbedingungen
als kraftfrei im Sinne der Erfindung angesehen werden kann.
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Die
vorgesehene Bestimmung der Höhe der Kavität beruht
auf der Tatsache, dass die Kapazität des Sensors durch
die Fläche der Membran und der darunter liegenden Gegenelektrode
und deren Abstand bestimmt ist. Da die Fläche der Membran
bei der Herstellung des Drucksensors mit hoher Genauigkeit reproduzierbar
ist, kann eine Messung dieser Fläche unterbleiben. Beispielsweise
beträgt der schwankende Kantenverlust bei der Herstellung
der Membran lediglich etwa 1/10 μm. Bei einem Durchmesser
der Membran von 1 mm ± 2/10 μm ergibt sich daraus
eine Genauigkeit der Membranfläche von etwa 0,02%. Damit
kann eine schwankende Grundkapazität überwiegend
dem Einfluss einer schwankenden Höhe der Kavität
zugeschrieben werden und die Höhe der Kavität
wird aus der gemessenen Kapazität mit hoher Genauigkeit
bestimmbar.
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Im
Betrieb des Drucksensors erfolgt die Messung der Verformung der
Membran entweder kapazitiv über die Höhe der Membran
oder durch piezoresistive Elemente, welche schersteif mit der Membran verbunden
sind und bei Verformung der Membran eine Verformung erfahren, welche
zu einer Widerstandsänderung führt.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird die elektrostatische Kraft
durch eine Wechselspannung erzeugt, insbesondere durch eine Wechselspannung deren
Frequenz unterhalb der mechanischen Grenzfrequenz der Membran und
oberhalb der Bandbreite des Ausgangssignals des Drucksensors gewählt
ist.
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Dadurch
ist die Frequenz in einem Bereich der mechanischen Übertragungsfunktion
gewählt, in welcher deren Abfall im Vergleich zur statischen
Auslenkung noch vernachlässigbar klein ist. Da sich bei einer
Wechselspannung der Betrag der Spannung und damit die auf die Membran
ausgeübte elektrostatische Kraft fortlaufend ändert,
wird der gesamte Messbereich kontinuierlich durchfahren.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung wird die elektrostatische
Kraft zur Kalibrierung des Sensorelementes durch eine elektrische
Wechselspannung mit konstanter Frequenz erzeugt. Durch die konstante
Frequenz, kann eine besonders einfache Trennung des Kalibriersignals
vom Messsignal erfolgen, beispielsweise durch einen schmalbandigen
Bandpassfilter.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann die elektrostatische Kraft
auch durch eine elektrische Gleichspannung erzeugt werden, welche
quasidigital per Pulsweitenmodulation oder als Delta-Sigma-Datenstrom
moduliert wird. Unter einer quasidigitalen Modulation soll dabei
ein Signal verstanden werden, welche eine digitale Amplitude und
ein analoges Zeitverhalten aufweist. Dieses Signal erzeugt zusammen mit
der filternden Übertragungsfunktion des Sensorelementes
eine Kraft. Diese wiederum ist digital einstellbar. Das Sensorelement
ist somit Bestandteil eines elektromechanischen Digital-Analog-Wandlers.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weist der Drucksensor weiterhin
eine Einrichtung auf, um das Ausgangssignal des Drucksensors in
einen von der Messgröße abhängigen Teil
und einen von der elektrostatischen Kraft abhängigen Teil
aufzuteilen. Eine solche Aufspaltung des Drucksensorsignals erlaubt
die fortlaufende Bestimmung eines Druckes während mit dem
erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren die Empfindlichkeit
des Drucksensors überprüft werden kann. Bevorzugt
wird dabei das Ausgangssignal des Drucksensors durch einen Tiefpass von
denjenigen Anteilen befreit wird, welche durch die elektrostatische
Kraft hervorgerufen werden. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass
das Ausgangssignal des Drucksensors durch einen Hochpass von denjenigen
Anteilen befreit wird, welche durch die Druckdifferenz beiderseits
der Membran hervorgerufen werden. Beide Signalanteile können
dann in separaten Schaltungsteilen weiter verarbeitet werden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens
näher erläutert werden.
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1 zeigt
einen oberflächenmikromechanischen Drucksensor gemäß dem
Stand der Technik.
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2 zeigt
den oberflächenmikromechanischen Drucksensor nach 1 mit
zusätzlichen Elektroden.
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3 zeigt
einen oberflächenmikromechanischen Drucksensor mit piezoresistiven
Messeinrichtungen zur Druckmessung und der Möglichkeit
zur erfindungsgemäßen Kalibrierung.
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4 zeigt
einen oberflächenmikromechanischen Drucksensor mit piezoresistiven
Messeinrichtungen bei der erfindungsgemäßen Kalibrierung
auf einem Chuck.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild eines Systemmodells für einen Selbsttest
eines Drucksensors und
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6 zeigt
eine mögliche Realisierung des Selbsttestes in analoger
zeitkontinuierlicher Schaltungstechnik.
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Kalibriervorrichtung mit quasidigitaler Generierung des Testsignals.
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1 zeigt
einen oberflächenmikromechanischen Drucksensor. Dieser
ist auf einem Substrat 1 aufgebaut. Üblicherweise
handelt es sich hierbei um ein Siliziumsubstrat. Auf dem Siliziumsubstrat
wird durch mehrere aufeinanderfolgende Maskierungs- und Ätzschritte
eine Membran 2 mit einem darunter liegenden Hohlraum ausgebildet.
Die Membran 2 weist die Dicke d und den Durchmesser oder
die Kantenlänge D auf. Sie ist entweder selbst elektrisch leitfähig
oder weist an zumindest einer Oberfläche eine leitfähige
Beschichtung auf. Diese leitfähige Beschichtung wird über
Leiterbahnen mit einer Messelektronik verbunden. Innerhalb des Hohlraums
und damit der Membran 2 gegenüberliegend ist eine
weitere Elektrode 3 ausgebildet, beispielsweise durch Implantation
oder Abscheidung einer leitfähigen Beschichtung, beispielsweise
aus einem Metall oder einer Legierung. Auch diese Elektrode 3 ist
durch Leiterbahnen kontaktiert und mit einer Auswerteschaltung verbindbar.
Die Auswerteschaltung kann auch auf dem Siliziumsubstrat 1 monolithisch
integriert ausgeführt sein.
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Bei
Einwirken eines Druckes auf die Membran 2 wird diese elastisch
verformt. Dementsprechend wird die Höhe des Hohlraumes
unterhalb der Membran vergrößert oder verkleinert.
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Die
Membran 2 bzw. deren leitfähige Beschichtung bildet
zusammen mit der Elektrode 3 einen Plattenkondensator.
Dessen Kapazität hängt von der konstant bleibenden
Fläche der Membran 2 und deren Abstand von der
Gegenelektrode 3 ab. Durch Messen der Kapazität
zwischen den Elektroden 3 und 2 kann somit der
Abstand der Elektroden und nach Kalibrierung der herrschende Druck
gemessen werden.
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2 zeigt
den Drucksensor nach 1 mit weiteren Bauteilen. Dieser
Drucksensor weist weiterhin Zusatzelektroden 4 auf. An
die Zusatzelektroden 4 kann eine elektrische Spannung angelegt
werden, welche eine elektrostatische Kraft zwischen Membran 2 und
Gegenelektrode 3 erzeugt. Zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Kalibrierverfahrens wird dabei die angelegte elektrische Spannung
so gewählt, dass in der Membran 2 dieselbe mechanische
Spannung induziert wird wie bei Anlegen eines vorgebbaren Druckes.
Somit kann über die kapazitive Abstandsmessung für
eine vorgebbare elektrische Spannung eine Kapazität bestimmt
werden, welche auch bei anliegen des entsprechenden Druckes messbar
ist.
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Durch Änderung
des Betrages der an Elektroden 3 und 4 angelegten
elektrischen Spannung wird die elektrostatische Kraft variiert.
Diese Variation der Kraft entspricht bei Betrieb des Drucksensors
einer Variation des an Membran 2 anliegenden Druckes. Durch
Messung der Kapazität bei verschiedenen zwischen Elektrode 3 und 4 anliegenden
elektrischen Spannungen kann somit eine Kalibrierkurve aufgenommen
werden, mittels welcher ein gemessener Kapazitätswert unmittelbar
einer mechanischen Spannung der Membran 2 und damit einem
herrschenden Druck zugeordnet werden kann. Die Koeffizienten der
Kalibrierkurve werden schließlich in einem in 2 nicht
dargestellten Speicher des Drucksensors abgelegt und stehen für
den weiteren Betrieb zur Verfügung.
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3 zeigt
einen piezoresistiven Drucksensor. Dieser weist ebenfalls eine Membran 2 auf,
welche sich über eine Kavität erstreckt und bei
Anliegen einer Druckdifferenz zwischen dem Hohlraum und dem Außenraum
tritt eine Verformung der Membran 2 ein. Mit der Membran
ist mindestens ein piezoresistives Element 5 schersteif
verbunden, so dass das Element 5 bei Verformung der Membran
ebenfalls verformt wird. Diese Verformung führt zu einer
messbaren Änderung des elektrischen Widerstands des piezoelektrischen
Elementes 5.
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Um
den piezoelektrischen Drucksensor 5 nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren ohne Anlegen einer Druckdifferenz kalibrieren zu können,
befindet sich im Hohlraum unterhalb der Membran 2 eine
Gegenelektrode 6. Im Ausführungsbeispiel nach 3 wird
diese Gegenelektrode 6 durch einen leitfähig dotierten
Wafer gebildet, welcher mittels einer dazwischen liegenden Oxidschicht 7 auf
das Trägersubstrat 1 gebondet wird. Die Oxidschicht 7 dient gleichzeitig
der Isolation, falls die Membran 12 bei hoher Verformung
auf der Elektrode 6 anschlägt. Die Spannung zur
Erzeugung der elektrostatischen Kraft wird zwischen der Elektrode 6 und
der ebenfalls leitfähigen Membran 2 angelegt.
Diese elektrostatisch induzierte Verformung wirkt in gleicher Weise
wie ein bei Betrieb des Drucksensors anliegender Druck. Somit kann
die Kalibrierung ohne Druckkammer durchgeführt werden.
Durch die permanent mit dem Substrat 1 verbundene Gegenelektrode 6 ist
auch eine Nachkalibrierung des Bauelementes beim Kunden oder gegebenenfalls
im Betrieb möglich.
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Selbstverständlich
kann die Elektrode 6 auch aus einem anderen leitfähigen
Material bestehen, beispielsweise einem Metall oder einer Legierung.
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Der
Isolator 7 kann in einer weiteren Ausführungsform
auch durch ein Polymer oder ein Sealglass gebildet werden. Er kann
im Bereich des Hohlraumes eine Aussparung aufweisen.
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4 zeigt
einen ähnlichen Drucksensor zu 3 ohne die
dort verwendete Gegenelektrode 6. Bei Betrieb des Drucksensors
bildet die Isolation 7 einen gasdichten Abschluss des Hohlraumes
unter der Membran 2. Alternativ kann das Substrat 1 mit
der Membran 2 und den piezoresistiven Elementen 5 auch
in einem Differenzdrucksensor verwendet werden, bei welchem über
ein nicht dargestelltes Gehäuse beide Seiten der Membran 2 mit
unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden.
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Die
zur elektrostatischen Kalibrierung notwendige Gegenelektrode wird
durch den Chuck 8 eines Wafertesters gebildet. Somit ist
eine elektrostatische Kalibrierung gemäß der vorliegenden
Erfindung oder ein Funktionstest der Drucksensoren 5 sofort
im Herstellerwerk möglich.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systemmodells
zum Selbsttest eines Drucksensors. Aus dem Ergebnis des Kalibrierverfahrens
erhält man eine Abgleichkurve, aus welcher die Koeffizienten
für den Sensorabgleich gewonnen werden. Nach Anwendung
dieser Koeffizienten in der Kalibriervorrichtung weist das Ausgangssignal
einen linearen Verlauf mit definierter Druckempfindlichkeit auf.
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Zur
laufenden Überprüfung der Druckempfindlichkeit
des Drucksensors im Betrieb wird mittels einer Wechselspannungsquelle 9 eine
elektrostatische Kraft auf die Membran des Drucksensors aufgebracht.
Zusätzlich kann auf diese Membran eine Messgröße
einwirken, beispielsweise ein Luftdruck. Die Membran wird durch
beide Kräfte ausgelenkt, so dass die Messschaltung des
Sensorelementes ein Signal detektiert, welches die Summe aus der
elektrostatischen Kraft und der Kraft des Luftdrucks repräsentiert.
Diese Summe wird über eine Kalibriervorrichtung mit den
gespeicherten Kalibrierkoeffizienten in ein kalibriertes Signal
umgerechnet. Dieses kalibrierte Summensignal besteht nun ebenfalls
aus dem zu messenden Luftdruck und der elektrostatischen Kraft.
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Zur
Trennung der beiden Komponenten des Summensignals ist im Ausführungsbeispiel
nach 5 vorgeschlagen, einen Hochpass und einen Tiefpassfilter
einzusetzen. Im Ausführungsbeispiel nach 5 ändert
sich der Luftdruck nur langsam. Daher wird dieser Signalanteil durch
einen Tiefpass vom Summensignal getrennt. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses
liegt dabei unterhalb der Frequenz der von der Quelle 9 erzeugten
Wechselspannung. Dadurch kann dieser Anteil des Signals den Tiefpass nicht
passieren und am Ausgang des Tiefpassfilters kann der herrschende
Luftdruck trotz des laufenden Selbsttests des Drucksensors abgelesen
werden.
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Im
zweiten Signalzweig ist ein Hochpassfilter angeordnet. Die Grenzfrequenz
dieses Hochpassfilters liegt oberhalb der Änderungsfrequenz
des Messsignals jedoch unterhalb der Frequenz der von Quelle 9 erzeugten
Wechselspannung. Somit kann der durch den Luftdruck beeinflusste
Anteil des Summensignals das Hochpassfilter nicht passieren. Am Ausgang
des Hochpassfilters steht nur der durch die elektrostatische Kraft
verursachte Anteil des Summensignals zur Verfügung. Durch
Multiplikation dieses Signals mit dem die elektrostatische Kraft
erzeugenden Wechselspannungssignal und nachfolgende Tiefpassfilterung
wird dieser Anteil des Drucksensorsignals demoduliert. Am Ausgang
dieses zweiten Tiefpassfilters steht die elektrostatisch angeregte Membranamplitude
zur Verfügung.
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Im
nachfolgenden, nicht dargestellten Schaltungsteilen wird die Antwort
des Drucksensors auf die elektrostatische Kraft mit einem Sollwert
verglichen. Ein Abweichen vom Sollwert deutet auf einen Defekt des
Drucksensors hin. Ein solcher Defekt kann beispielsweise eine Verschmutzung,
eine Vereisung oder ein Bruch der Membran 2 sein. Ein erkannter
Fehler kann entweder an den Benutzer ausgegeben werden oder eine
automatisierte Neukalibrierung auslösen.
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6 zeigt
eine Ausführungsform einer Schaltung zur Kalibrierung in
Analogelektronik. Zur Messung der Kapazität eines kapazitiven
Drucksensors dient ein hochfrequentes Trägersignal aus
einer Wechselspannungsquelle 9. Dieses Trägersignal wird über
den kapazitiven Drucksensor einer Auswerteschaltung mit einem Operationsverstärker 10 zugeführt.
Der Operationsverstärker 10, R2 und C2 bilden
zusammen einen Kapazitäts-Spannungs-Wandler (C/U-Wandler).
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Somit
ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 nach
Demodulation ein Maß für die Kapazität
des Drucksensors und somit für die Messgröße.
Dieses Signal wird einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 11 zugeführt.
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Um
den Drucksensor zu kalibrieren oder im laufenden Betrieb zu überwachen,
wird über den Widerstand R1 eine Spannung an den Drucksensor
angelegt, welche eine elektrostatische Kraft auf diesen Drucksensor
ausübt. Damit diese Spannung den Operationsverstärker 10 nicht
beeinflusst, wird diese über den Kondensator C1 entkoppelt.
Kondensator C1 bildet somit einen Hochpassfilter.
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Für
den Kalibriervorgang wird die Spannung Ucal über
den gewünschten Spannungsbereich variiert und der Kapazitätswert
UC/U erfasst. Hierbei wird der Druck auf
einem konstanten Referenzwert, beispielsweise dem Normaldruck gehalten.
Aus der aufgenommenen Kennlinie werden in der Ansteuerschaltung 11 die
erforderlichen Kalibrierkoeffizienten ermittelt und in einem Speicher
zur späteren Verwendung abgelegt. Für den in 5 beschriebenen Selbsttest
des Drucksensors wird über den Widerstand R1 ein niederfequentes
Testsignal Ucal eingespeist.
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7 zeigt
eine alternative Ausführungsform, bei welcher das Testsignal
durch eine digitale Schaltung zugeführt wird. Diese Ausführungsform eignet
sich insbesondere zur monolythischen Integration auf dem Chip des
Drucksensors.
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Mittels
der Schalter S1, S2, S3 und S4 kann jede Seite eines kapazitiven
Drucksensors wahlweise mit einem Referenzpotential, beispielsweise
Masse, oder einer Betriebspannung VDD verbunden
werden. Der Ausgang des Drucksensors kann über Schalter
S5 mit dem Eingang eines Operationsverstärkers verbunden
werden. Der Operationsverstärker 10 weist wiederum
eine Kapazität C2 in der Gegenkopplung auf und bildet einen
C/U-Wandler zur Messung der Kapazität des Drucksensors.
Der Ausgang des C/U-Wandlers ist wiederum mit einer Ansteuerschaltung 11 verbunden,
welche fallweise auch die Schalter S1 bis S7 steuern kann.
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Zum
Erzeugen einer mittleren Kraft wird die Betriebspannung VDD als
Delta-Sigma-Datenstrom oder durch Pulsweitenmodulierung über
S3 und S4 an eine Elektrode des kapazitiven Drucksensors angelegt
während S2 geschlossen und S1 geöffnet ist. Zur
Messung der Kapazität wird das Sensorelement über
S2 und S4 mit Masse verbunden und dadurch entladen. Ebenso wird
die Rückkoppelkapazität C2 über S7 und
S6 entladen. S1, S3 und S5 sind während dieser Zeit geöffnet.
Während die Steuerspannung an den Drucksensor angelegt
wird, um eine elektrostatische Kraft auf das Sensorelement auszuüben,
bleibt S5 geöffnet, um eine Einwirkung der Steuerspannung
auf den Operationsverstärker 10 auszuschließen.
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Zu
Beginn des Messvorganges wird S5 geschlossen. Anschließend
gibt S7 die Rückkoppelkapazität und S4 die Sensorkapazität
frei. S1 und S2 wechseln ihren Schaltzustand, sodass ein Spannungssprung
an der Sensorkapazität entsteht. Nach dem Einschwingvorgang
liegt das Ergebnis der C/U-Wandlung am Ausgang des Operationsverstärkers
an.
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Durch
mehrfache Ausführung dieser Schaltvorgänge ist
es mit wenig Aufwand möglich, die U/C-Kennlinie des Sensorelementes
aufzunehmen und daraus die Kalibrierkoeffizienten zu ermitteln. Diese
werden wiederum in Schaltung 11 gespeichert und im Betrieb
des Drucksensors auf das Messsignal angewendet. Für einen
Selbsttest während des Betriebes formt der Delta-Sigma-Datenstrom
wiederum ein niederfrequentes Testsignal, welches dem Drucksensor
zugeführt wird. Wie bereits in 5 beschrieben,
wird das Drucksensorsignal dann mittels dem an Steuerschaltung 11 in
einen durch die Messgröße beeinflussten Teil und
einen durch die elektrostatische Kraft beeinflussten Anteil aufgeteilt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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