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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Selbsttests für eine mikromechanische Sensorvorrichtung und eine entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung.
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Die
DE 197 43 288 A1 offenbart einen mikromechanischen Sensor mit einem der zu messenden physikalischen Größe zugeordneten Wirkelement und einer mit dem Wirkelement gekoppelten elektronischen Auswerteschaltung. Das Wirkelement besteht aus wenigstens zwei Teilstrukturen, die derselben zu messenden physikalischen Größe ausgesetzt sind. Jede Teilstruktur liefert ein Messsignal an die Auswerteschaltung, und die Auswerteschaltung weist eine Vergleichsschaltung auf, in der die wenigstens zwei Messsignale verglichen werden und welche als Ergebnis ein Vergleichssignal liefert.
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Die
US 2008 / 0 103 705 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Sensorsignals, das für einen In-Betrieb-Test eines Signalpfades von einer Sensorzelle zu einer Auswertestelle geeignet ist, wobei die Sensorzelle in Abhängigkeit einer zu erfassenden physikalischen Größe ein Sensorzellen-Ausgangssignal liefert. Die Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zum Bereitstellen von wenigstens zwei zueinander unterschiedlichen Testsignalen, eine Einrichtung zum Verändern des Sensorzellen-Ausgangssignals basierend auf den wenigstens zwei zueinander unterschiedlichen Testsignalen gemäß einer vorbestimmten Veränderungsvorschrift, um das Sensorsignal zu erhalten, sodass das Sensorsignal von dem Sensorzellen-Ausgangssignal und den wenigstens zwei Testsignalen abhängt. Weiterhin vorgesehen ist eine Einrichtung zum Ausgeben des Sensorsignals oder eines der von dem Sensorsignal abgeleiteten Signals auf dem Signalpfad.
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Beim Einsatz mikromechanischer Sensoren werden häufig Selbsttestkonzepte benutzt, um sowohl die Mikromechanik als auch den kompletten Signalpfad der Sensoren zu testen. Tests derartiger Selbsttestkonzepte können zum Beispiel darin bestehen, ein elektrisches Stimulus auf das mikromechanische Element aufzubringen und die Reaktion des Sensors zu messen. Das gemessene Signal oder eine davon abgeleitete Größe werden gegenüber Zielwerten verglichen und bewertet. Die Zielwerte können schriftlich dokumentiert sein (beispielsweise in technischen Kundenunterlagen spezifiziert) oder im Sensor selbst abgespeichert sein. Der Selbsttest an sich besteht meist aus einer Abfolge von Stimuli, zum Beispiel einem positiven Spannungshub, einem Nullhub (kein Selbsttest-Stimulus) und einem negativen Spannungshub o.ä..
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Selbsttests können auf verschiedene Arten angestoßen und die entsprechende Sensorantwort auf den Selbstteststimulus ausgewertet werden.
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Bei bestimmten Sensoren wird der Selbsttest von außen durch einen externen Controller gesteuert, d. h. dem Sensor wird über eine Schnittstelle mitgeteilt, dass ein Selbsttest ausgeführt werden soll. Wird der Selbsttest durch einen externen Controller gesteuert, so findet auch die Bewertung der übertragenen Sensorantwort meist im Controller statt. Andere Sensoren, insbesondere solche, die aufgrund ihrer unidirektionalen Schnittstelle keine Signale von außen empfangen können oder die sehr schnell nach Aktivierung der Spannungsversorgung ohne Eingriff eines Controllers aktiv sein müssen, stoßen den Selbsttest automatisch an (beispielsweise beim Starten oder wiederkehrend während des Betriebs). Wird der Selbsttest durch den Sensor selbst angestoßen, so findet auch die Bewertung im Sensor selbst gegenüber abgespeicherten Zielwerten statt.
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Die Sensorantwort auf den Selbsttest-Stimulus kann durch Störungen der Messgröße von außen verfälscht oder auch komplett überlagert werden. Eine Bewertung der Sensorantwort gegenüber abgespeicherten Werten kann dann fälschlicher Weise zu einem negativen Ergebnis führen.
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Die Abfolge des Selbsttests in einem konstanten Zeitraster führt zu einer großen Anfälligkeit auf ein Störsignal der entsprechenden Frequenz (dabei wird als Frequenz des Selbsttests die Frequenz einer entsprechenden periodischen Sinusschwingung bezeichnet, die einen vorgegebenen periodischen Selbsttestablauf am besten annähert). Die Anfälligkeit hat zur Folge, dass heute bei sehr empfindlichen Sensoren oder in Einbaupositionen mit hohem Störpotential komplett auf eine Selbsttestdurchführung verzichtet wird.
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Bei Sensoren, die automatisch den Selbsttest steuern und bei denen der Selbsttest nicht durch einen Controller gesteuert wird, sind durch die begrenzten Rechenressourcen komplexe Algorithmen zur Steuerung des Selbsttests nicht möglich, so dass trotz des beschriebenen Mangels einfache Algorithmen Anwendung finden.
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Aus der
DE 10 2004 026 971 A1 ist ein mikromechanischer Sensor mit Fehlererkennung bekannt, welcher ein mikromechanisches Funktionsteil und eine elektronische Auswerteschaltung aufweist, die mittels elektrischer Leiter miteinander in elektrischer Verbindung stehen. Dieser bekannte Sensor weist Mittel zur Durchführung eines Selbsttests des Sensors auf, welche eine Fehlererkennung wenigstens einer elektrischen Verbindung ermöglichen.
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Vorteile der Erfindung
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Das in Anspruch 1 definierte erfindungsgemäße Verfahren zur Durchführung eines Selbsttests für eine mikromechanische Sensorvorrichtung und die entsprechende mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 10 bieten gegenüber herkömmlichen Lösungen den Vorteil, dass sie robustere Selbsttestresultate liefern.
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Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt also in einer Robustheitssteigerung der Selbsttestdurchführung und der Selbsttestbewertung. Die Erfindung schlägt vor, dass die Ergebnisse von mindestens zwei auf einander folgenden Selbsttests miteinander verglichen bzw. korreliert bzw. anderweitig nach mindestens einem vorgegebenen Kriterium analysiert werden und darauf basierend das Selbsttestresultat abhängig von sämtlichen Selbsttestabfolgen festgelegt wird.
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Beispielsweise schlägt die Erfindung die Wiederholung der Selbsttestdurchführung mit variierter Frequenz bzw. variierter Periode vor. Bei der Auswertung wird nicht mehr jedes einzelne Testsignal individuell bewertet, sondern zusätzlich bzw. ausschließlich aus mehreren Tests abgeleitete Größen, wie zum Beispiel der Mittelwert aller oder bestimmter positiver bzw. aller negativer Antwortsignalwerte. Die Selbsttestbewertung wird dadurch stabiler gegenüber externen Störungen unterschiedlichster Amplitude und Frequenz. Insbesondere auch bei Sensoren mit hoher Empfindlichkeit erlaubt dieses Konzept, Selbsttests trotz externer Störungen durchzuführen und zu bewerten. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass es nur sehr geringen Ressourceneinsatz im Controller bzw. im Sensor benötigt.
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Die in den jeweiligen Unteransprüchen aufgeführten Merkmale beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Gegenstandes der Erfindung.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiele der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 ein Blockdiagramm einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Anregungssignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1;
- 3 ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Antwortsignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1 ansprechend auf den Anregungssignalverlauf gemäß 2 im ungestörten Fall;
- 4 ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Störsignalverlaufs und eines Antwortsignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1 ansprechend auf den Anregungssignalverlauf gemäß 2 in einem ersten gestörten Fall;
- 5 ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Störsignalverlaufs und eines Antwortsignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1 ansprechend auf den Anregungssignalverlauf gemäß 2 sowie einen anschließenden Anregungssignalverlauf mit verkürzter Periode in dem ersten gestörten Fall sowie zur Illustration einer entsprechenden Auswertung des Selbsttests;
- 6 ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Störsignalverlaufs und eines Antwortsignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1 ansprechend auf den wiederholten Anregungssignalverlauf gemäß 2 in einem zweiten gestörten Fall sowie zur Illustration einer entsprechenden Auswertung des Selbsttests; und
- 7 ein Fließdiagramm zum Illustrieren eines Verfahrens zur Durchführung eines Selbsttests für eine mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt ein Blockdiagramm einer mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 1 eine mikromechanische Sensoreinrichtung, welche einen mikromechanischen Funktionsteil 100 und eine elektronische Auswerteschaltung 200 aufweist, die über elektrische Leitungen L1, L2 miteinander in elektrischer Verbindung stehen, wobei die entsprechenden Anschlusspunkte auf dem mikromechanischen Funktionsteil 100 mit A1 bzw. A2 bezeichnet sind und beispielsweise durch Bondlands gebildet sind.
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Die elektronische Auswerteschaltung 200 umfasst ein Auswertungsmodul 220, ein Anregungsmodul 240, ein Demodulationsmodul 260 sowie ein Bewertungsmodul 280.
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Das Auswertungsmodul 220 dient sowohl zur Signalauswertung der Sensorsignale im eigentlichen Sensorbetrieb als auch zur Auswertung der Sensorsignale im Selbsttestbetrieb und liefert ein Sensorausgangssignal 225, welches beispielsweise bei einem mikromechanischen Drucksensor ein Maß für den anliegenden externen Druck ist.
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Das Anregungsmodul 240 liefert in einem vorbestimmten Betriebszustand, beispielsweise nach dem Einschalten des Sensors, im Rahmen eines Selbsttests mindestens zwei aufeinanderfolgende Anregungssignalverläufe, welche in einem internen (nicht dargestellten) Speicher hinterlegt sind, über die elektrische Verbindung L1 an den Anschluss A1 des mikromechanischen Funktionsteils 100.
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In der Folge entsteht ein Antwortsignalverlauf, welcher für jeden Anregungssignalverlauf charakteristisch ist, der vom Anschluss A2 des mikromechanischen Funktionsteils über die Leitung L2 an das Auswertungsmodul geliefert wird, der das Sensorausgangssignal 225 liefert. Das Anregungsmodul 240 stellt neben dem Anregungssignalverlauf auch Korrelationssignal 245 bereit, welches zusammen mit dem Sensorausgangssignal 225 an das Demodulationsmodul 260 geliefert werden. In dem Demodulationsmodul 260 findet eine korrelierte Demodulation der Signale statt, woraufhin ein demoduliertes Ausgangssignal 265 vom Demodulationsmodul 260 an das Bewertungsmodul 280 geliefert wird. Im Bewertungsmodul 280 wird aufgrund des anhand mindestens eines hinterlegten Kriteriums analysierten Signalmusters 265 schließlich ein Testergebnis festgelegt und als entsprechendes Testergebnissignal 285 ausgegeben. Beispielsweise kann dort geprüft werden, ob mindestens ein Antwortsignalverlauf im Selbsttestmodus innerhalb vorbestimmter oberer und unterer Signalgrenzen liegt.
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Insbesondere weist das Bewertungsmodul 280 dazu einen (nicht gezeigten) Speicher zum speichern von mehreren -mindestens zwei- Antwortsignalverläufen der Sensorvorrichtung 1 auf, welche von dem Bewertungsmodul 280 im Nachhinein verglichen bzw. korreliert bzw. analysiert werden können und darauf basierend das Testergebnis bzw. das diesbezügliche Testergebnissignal 285 gebildet werden. Zweckmäßigerweise ist das Bewertungsmodul 280 Teil einer Mikroprozessorvorrichtung bzw. ein ASIC.
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2 zeigt ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Anregungssignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1.
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Der in 2 dargestellte Anregungsverlauf für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung 1 gemäß 1 startet zum Zeitpunkt t0 mit einem positiven Spannungshub P in Rechteckform, der bis zur Zeit t1 andauert, wobei dessen Amplitude AR drei willkürliche Einheiten beträgt. Vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 findet ein Nullhub Z statt, bei dem keine Anregung stattfindet. Vom Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 findet ein negativer Spannungshub N statt, dessen Amplitude AR minus drei willkürliche Einheiten beträgt. Vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 findet wiederum ein Nullhub Z statt. Der dermaßen verlaufende Annäherungssignalverlauf P-Z-N-Z ist periodisch und lässt sich durch eine entsprechende Sinusfunktion approximieren. Diese Sinusfunktion stellt eine fiktive Selbsttestfrequenz mit der Periode T = (t3-t0) dar.
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3 zeigt ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Antwortsignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1 ansprechend auf den Anregungssignalverlauf gemäß 2 im ungestörten Fall.
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Im ungestörten Fall oder bei Störungen mit Frequenzen deutlich kleiner als die Selbsttestfrequenz 1/T wird die Differenz zwischen positiven Spannungshub P und Nullhub Z sowie zwischen negativen Spannungshub N und Nullhub Z bewertet, was in 3 mit δP = 300 w.E.und δN = 300 w.E. dargestellt ist. Diese Differenzen δP bzw. δN im Antwortsignalverlauf entsprechend dem Anregungssignalverlauf von 2 sind also gleich bzw. annähernd gleich groß, wie aus 3 ersichtlich, wobei die Gesamttestdauer 30 ms bzw. die Selbsttestfrequenz 33 Hz betrifft. Die Amplituden des in 3 dargestellten Antwortsignals betragen plus 300 bzw. minus 300 willkürliche Einheiten und liegen damit in einem applikationsbedingt vorgegebenen Fenster von [-300+/-20%,+300+/- 20%] w.E.. Aufgrund von Tiefpass-Effekten sind die Flanken des Antwortsignalverlaufs gemäß 3 verschieden von den Flanken des Anregungssignalverlaufs gemäß 2.
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4 zeigt ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Störsignalverlaufs und eines Antwortsignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1 ansprechend auf den Anregungssignalverlauf gemäß 2 in einem ersten gestörten Fall.
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4 zeigt den Fall, bei dem Störungen vorliegen, deren Frequenzen in der Nähe der Selbsttestfrequenz 1/T liegen bzw. die harmonischen dieser Frequenzen. Besonders empfindlich ist das Selbsttestsignal gegenüber einer Störung in der Nähe der Selbsttestfrequenz, wie in 4 dargestellt. Die Periode in 4 ist mit T dargestellt und beträgt ebenfalls 30 ms. Das Störsignal trägt das Bezugszeichen ST und weist eine Amplitude A* von 0,5 w.E. auf. Diese w.E. sind allerdings von den w.E. des Antwortsignals verschieden.
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Wendet man das gleiche Auswertungskriterium wie bei 3 an, so erhält man als Differenz zwischen positiven Spannungshub und Nullhub δP ' = 400 w.E. und als Differenz zwischen negativen Spannungshub und Nullhub δN ' = 400 w.E.. Somit sind diese Werte gegenüber dem ungestörten Fall gemäß 3 stark erhöht und liegen damit außerhalb des applikationsbedingt vorgegebenen Fensters von [-300+/-20%,+300+/- 20%] w.E.. Mit anderen Worten bewirkt die Störung in diesem Fall, dass ein einzelner Selbsttest nicht bestanden ist. Würde man es dabei belassen, so hätte man ein Ausschussteil.
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5 zeigt ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Störsignalverlaufs und eines Antwortsignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1 ansprechend auf den Anregungssignalverlauf gemäß 2 sowie einen anschließenden Anregungssignalverlauf mit verkürzter Periode in dem ersten gestörten Fall sowie zur Illustration einer entsprechenden Auswertung des Selbsttests.
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Um die Robustheit des Selbsttestsignals gegenüber derartigen Störfrequenzen ST, wie in 4 dargestellt, zu erhöhen ist bei der Ausführungsform gemäß 5 eine Wiederholung des Selbsttestsignals bzw. des Anregungssignals mit veränderter erhöhter Frequenz bzw. veränderter Periode T' im Zeitrahmen t0' - 11' - t2' - t3' - t4' entsprechend der Signalfolge P-Z-N-Z vorgesehen. Gemäß 5 beträgt die der Periode T' entsprechende Selbsttestfrequenz 1/T' = 143 Hz bzw. die Periode T' = 7 ms. Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn die Testsignalfrequenzen der Wiederholungen in keinem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen.
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Bei der Testsignalsequenz mit verringerter Periode T' betragen die betreffenden Differenzen δP "= 250 w.E. und δN " = 300 w.E..
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Die Amplituden des in 5 dargestellten zweiten Antwortsignals mit der Periode T liegen damit in dem applikationsbedingt vorgegebenen Fenster von [-300+/- 20%,+300+/-20%] w.E.. Also wäre der Selbsttest in diesem Falle bestanden.
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Vergleicht man die Ergebnisse verschiedener Testsignalsequenzen mit den verschiedenen Perioden T, T' in der Bewertungseinrichtung 280 und legt als Kriterium fest, dass zumindest ein Antwortsignal im erwähnten Fenster liegt, so findet man hier ein positives Testergebnis bei dem Signal mit den geringsten Differenzen δP "= 250 w.E. und δN " = 300 w.E.. So ergibt eine derartige Testsequenzabfolge mit zwei Anregungssignalverläufen unterschiedlicher Periode T bzw. T' ein korrektes bzw. nicht von dem Störsignal ST beeinflusstes Testsignalergebnis.
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Selbstverständlich ist es möglich, weitere Selbsttestsequenzen mit variierenden Perioden vorzusehen und die Auswahl unter einer größeren Anzahl von Selbsttestsequenzen durchzuführen.
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6 zeigt ein Zeitdiagramm zum Illustrieren eines Störsignalverlaufs und eines Antwortsignalverlaufs für einen Selbsttest der mikromechanischen Sensorvorrichtung gemäß 1 ansprechend auf den wiederholten Anregungssignalverlauf gemäß 2 in einem zweiten gestörten Fall sowie zur Illustration einer entsprechenden Auswertung des Selbsttests.
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Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform liegt eine Störung mit einer Frequenz vor die deutlich größer als die Selbsttestfrequenz ist. Um die Stabilität des Testsignals gegenüber derartigen großen Störfrequenzen zu erhöhen, wird ebenfalls eine Wiederholung der Selbsttestsequenz vorgeschlagen, wobei bei dieser Ausführungsform die Periode T unverändert bleibt. Die Wiederholung findet im Zeitrahmen t0" - t1" - t2" - t3" - t4" entsprechend der Signalfolge P-Z-N-Z statt. Die Selbsttestdauer beträgt auch bei diesem Beispiel 30 ms entsprechend einer Frequenz von 33 Hz. Die Störung in diesem Fall weist eine Frequenz von 500 Hz auf.
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Neben der Bewertung jedes einzelnen Testsignals durch das Bewertungsmodul 280 findet auch eine Bewertung des Mittelwerts aller Testsignale in positiver Richtung bzw. in negativer Richtung bzw. hinsichtlich des Nullhubs statt. Somit erhält man einen jeweiligen Mittelwert δP* = 330 w.E., δZ* = 0 w.E. und δN* = 300 w.E.. Die Mittelwerte liegen nahe am Wert ohne Störung, daher die Selbsttestdifferenzen nahe am Nominalwert von 300 willkürlichen Einheiten, also ist der Selbsttest trotz Störung bestanden.
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7 zeigt ein Fließdiagramm zum Illustrieren eines Verfahrens zur Durchführung eines Selbsttests für eine mikromechanische Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 7 ist schematisch der Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Durchführung eines Selbsttests für die mikromechanische Sensorvorrichtung 1 gezeigt.
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Im Schritt S0 startet das Verfahren. Im Schritt S1 wird eine erste Selbsttestsequenz ST1 mit einer ersten charakteristischen Parametergröße angelegt. Im Schritt S2 wird eine zweite Selbsttestsequenz ST2 mit einer gleichen oder verschiedenen charakteristischen Parametergröße angelegt. Dies setzt sich fort bis zum Schritt Sn, in dem eine Selbsttestsequenz STn mit einer gleichen oder verschiedenen charakteristischen Parametergröße angelegt wird.
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Nach Durchführen und Speichern sämtlicher Selbsttests im Speicher des Bewertungsmoduls 280 findet dann ein Vergleich bzw. eine Korrelation bzw. eine Analyse der Selbsttestsequenzen ST1 bis STn im Schritt S(n+1) statt.
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Darauf basierend wird im Schritt S(n+2) ein Selbsttestergebnis TE gemäß vorbestimmter Kriterien, zum Beispiel Mittelwertbildung und/oder Bewertung verschiedener Selbsttests mit unterschiedlicher Zeitskalierung bzw. unterschiedlichen Frequenzen usw. festgelegt.
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Das Programm endet im Schritt S(n+3), in dem das Testresultatsignal 285 vom Bewertungsmodul 280 ausgegeben wird, also im einfachsten Fall „Test bestanden“ oder „Test nicht bestanden“.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Jede der beschriebenen Maßnahmen zum Vergleichen bzw. Korrelieren bzw. Analysieren einer Mehrzahl von mindestens zwei Selbsttestsequenzen kann einzeln oder auch kombiniert mit anderen eingesetzt werden. So kann zum Beispiel die Wiederholung des Testsignals mit geänderter Frequenz kombiniert werden mit der Bewertung der Mittelwerte zu ein oder mehreren vorgegebenen Zeitwerten des ersten und zweiten Antwortsignalverlaufs.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf periodische Signalverläufe beschränkt, sondern auf beliebige wiederholbare bzw. zeitlich skalierbare Signalverläufe anwendbar.
