-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Messwertaufnehmern.
-
Aus der
DE 20 2009 017 430 U1 ist ein Sensorgehäuse mit zwei Sensoren und einer ersten integrierten Schaltung und einer zweiten integrierten Schaltung bekannt. Ferner ist aus der
DE 10 2011 075 679 A1 eine Anordnung mit zwei Sensoren bekannt. Des Weiteren offenbaren die beiden Druckschriften jeweils ein Verfahren zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Messwertaufnehmern, insbesondere von Sensoren. Die
DE 10 2014 783 B3 offenbart ein gattungsgemäßes Verfahren mit zwei ICs, welche jeweils einen Sensor aufweisen, und die ICs die gleiche Funktionalität aufweisen und in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Eine Steuereinheit ist außerhalb des Gehäuses angeordnet.
-
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Messwertaufnehmern anzugeben, das den Stand der Technik weiterbildet.
-
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Messwertaufnehmern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Verfahren zur Erhöhung der Zuverlässigkeit von Messwertaufnehmern bereitgestellt, mit einem ersten IC und einen zweiten IC, wobei die beiden ICs überwiegend oder genau die gleichen monolithisch integrierten Schaltkreisfunktionen mit jeweils einem Sensor und einem Signalausgang und einem Signaleingang und einem Komparator aufweisen und an den jeweiligen Signalausgängen ein, in Abhängigkeit der von dem jeweiligen Sensor erfassten physikalischen Größe, erzeugtes Sensorsignal angelegt wird und die Signalausgänge jeweils mit einem ersten Eingang des Komparators und die Signaleingänge jeweils mit einem zweiten Eingang des Komparators verschaltet werden und die beiden ICs in einem gemeinsamen IC-Gehäuse integriert werden und der Signalausgang des ersten ICs mit dem ersten Eingang des Komparators auf dem ersten IC und mit dem Signaleingang des zweiten ICs und mit einer das IC-Gehäuse durchdringenden ersten Kontaktfläche verschaltet wird, und der Signalausgang des zweiten ICs mit dem ersten Eingang des Komparators auf dem zweiten IC und mit dem Signaleingang des ersten ICs verschaltet wird und auf dem zweiten IC das Ausgangssignal des ersten ICs mit dem Ausgangssignal des zweiten ICs verglichen wird, und ab einer vorgegebenen Abweichung zwischen den beiden Ausgangssignalen das Ausgangssignal an dem Signalausgang des zweiten ICs derart verändert wird, dass das Ausgangssignal nicht mehr dem Sensorsignal des ersten ICs entspricht und auf dem ersten IC das Ausgangssignal des zweiten ICs mit dem Ausgangssignal des ersten ICs verglichen wird, und ab einer vorgegebenen Abweichung zwischen den beiden Ausgangssignalen das Ausgangssignal an dem Signalausgang des ersten ICs derart verändert wird, dass das Ausgangssignal nicht mehr dem Sensorsignal des zweiten ICs entspricht.
-
Es sei angemerkt, dass die Kontaktfläche als Teil eines Kontaktelements, das auch als Pin bezeichnet wird, ausgebildet ist. Des Weiteren sei angemerkt, dass die ICs auf der jeweiligen Oberfläche an den jeweiligen Signalausgängen und den jeweiligen Signaleingängen sogenannte Bondierungsfläche, auch als Pads bezeichnet, aufweisen. Um die Signalausgänge und die Signaleingänge untereinander zu verbinden, werden die jeweiligen Bondierungsflächen mit Bonddrähten verschaltet. Des Weiteren sei angemerkt, dass die beiden ICs, die auch als Dies bezeichnet werden, nebeneinander oder übereinander angeordnet sind und bei einem Moldprozess mit einem Kunststoff umspritzt werden, um ein Gehäuse auszubilden.
-
Ein Vorteil des Verfahrens ist es, dass sich auf einfache und kostengünstige Weise mittels einer redundanten Anordnung die Ausfallsicherheit von als Messwertaufnehmer ausgebildete Sensoren erhöhen lässt. Hierzu werden innerhalb eines einzigen Schaltkreisgehäuses zwei gleichartige ICs angeordnet sind. Durch die vorteilhafte Verschaltung lässt sich jedoch durch den innerhalb des Gehäuses durchgeführten Vergleich der beiden Sensorsignale eine Fehlfunktion der Messwertaufnehmer d. h. der Sensoren einfach detektieren.
-
Vorteilhaft ist, wenn ausschließlich der Signalausgang des ersten ICs nach außen, d. h. außerhalb des IC-Gehäuses geführt wird. Anders ausgedrückt wird der Signalausgang des zweiten ICs in einer ersten Alternative nur innerhalb des IC-Gehäuses verschaltet oder in einer zweiten Alternative mit einer das IC-Gehäuse durchdringenden zweiten Kontaktfläche verschaltet.
-
Ein schaltungstechnischer Unterschied zwischen den beiden ICs, wobei die beiden ICs vorzugsweise die identischen Schaltungsfunktionen oder nahezu die gleichen Schaltungsfunktionen aufweisen, besteht darin, dass in der ersten Alternative nur das Ausgangssignal des ersten ICs nach außen geführt wird, d. h. den insgesamt vier signalführenden Leitungen ist nur ein einziger Pin zugeordnet. Hierdurch wird in vorteilhafte Weise eine redundante Anordnung geschaffen, welche sich selbst überwacht und kostengünstig ist. In einer zweiten Alternative wird ist das Ausgangssignal des zweiten ICs mit einer vorzugsweise das IC-Gehäuse durchdringenden zweiten Kontaktfläche verschaltet.
-
Untersuchungen haben gezeigt, dass das Verfahren besonders vorteilhaft ist, wenn an den beiden Signalausgängen analoge Signale angelegt werden. Vorzugsweise sind die beiden Signalausgänge als Spannungsausgänge ausgeführt.
-
In einer Weiterbildung ist ein Nutzband vorgesehen, wobei ab der vorgegebenen Abweichung das Ausgangssignal an dem Signalausgang des ersten ICs so verändert wird, dass das Ausgangssignal außerhalb des Nutzbandes liegt. Bevorzugt ist, wenn um das Nutzband jeweils ein Fehlerband angeordnet wird, oder anders ausgedrückt wird das Nutzband zwischen zwei Fehlerbänden angeordnet.
-
In einer Ausführungsform werden der Vergleich der beiden Ausgangssignale auf dem ersten IC und der Vergleich der beiden Ausgangssignale auf dem zweiten IC jeweils mittels eines Komparators durchgeführt.
-
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn auf dem zweiten IC, ab der vorgegebenen Abweichung, das Ausgangssignal des zweiten Signalausgangs in ein Fehlerband gelegt wird und in Folge das Ausgangssignal des ersten Signalausgangs in das Fehlerband gelegt wird und anschließend an dem Signalausgang des zweiten ICs wieder das Sensorsignal ausgegeben wird.
-
In einer anderen Weiterbildung wird nach einer Veränderung des Ausgangssignals nach einer vorgegebenen Zeit an dem Signalausgang mit dem veränderten Ausgangssignal wieder das Sensorsignal ausgegeben. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Veränderung der beiden Ausgangssignale mittels einer Änderung des Verstärkungsfaktors eines mit dem jeweiligen Signalausgang verschalteten Ausgangsverstärkers durchgeführt wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform, wird auf beiden ICs jeweils eine Steuereinheit vorgesehen, wobei mittels der jeweiligen Steuereinheit die Verstärkung des jeweiligen Ausgangsverstärkers zur Veränderung des jeweiligen Ausgangssignals in Abhängigkeit der Größe der Abweichung und der Dauer der Abweichung verändert wird. Insbesondere ist es bevorzugt, mittels der Steuereinheit den jeweiligen Ausgangsverstärker in einen anderen Betriebsmodus zu schalten. Ferner ist es bevorzugt, bei den beiden ICs mittels der Steuereinheit das Ausgangssignal des jeweiligen Ausgangsverstärkers in Abhängigkeit der Größe und der Dauer der Abweichung moduliert oder abgeschaltet wird.
-
In einer anderen Weiterbildung sind die erste Kontaktfläche und/oder die zweite Kontaktfläche außerhalb des IC-Gehäuses jeweils mit einem Eingang einer Empfängereinheit verschaltet. Hierdurch erhält die Empfängereinheit zusätzliche Informationen. In einer Weiterbildung wird der Betriebsmodi von der Empfängereinheit detektiert.
-
Es sei angemerkt, dass sich innerhalb des IC-Gehäuses das erste IC und das zweite IC auf einem gemeinsamen Träger nebeneinander oder auf einem gemeinsamen Träger stapelförmig, d. h. übereinander anordnen lassen. Ferner ist es bevorzugt, dass die Sensoren identisch sind, d. h. die gleiche physikalische Größe mit der vorzugsweise gleichen Sensitivität messen. Bevorzugt sind beiden Sensoren als Magnetfeldsensoren, insbesondere als Hallelemente, höchst vorzugsweise als Hallplatten, ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform messen die beiden Sensoren zwar dieselbe physikalische Größe, beispielsweise das Magnetfeld, weisen jedoch eine unterschiedliche Empfindlichkeit auf. Beispielsweise lassen sich sehr schwache Magnetfelder mittels eines GMR Sensors und stärkere Magnetfelder mittels eines Hallsensors messen.
-
Es ist auch bevorzugt, dass bei den ICs jeweils der Komparator einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweist und der jeweilige Signalausgang der jeweiligen Schaltung des jeweiligen ICs mit dem ersten Eingang des zugeordneten Komparators und der jeweilige Signaleingang der beiden Schaltungen mit den jeweiligen zweiten Eingängen der jeweiligen Komparatoren mittels eines jeweiligen Leiterbahnabschnitts verschaltet sind.
-
Anders ausgedrückt, vergleicht der Komparator des ersten ICs das Ausgangssignal des zweiten ICs mit dem Ausgangssignal der ersten ICs. Nichts anders wird auch mit dem Ausgangssignal des zweiten ICs durchgeführt, indem der Komparator des zweiten ICs das Ausgangsignal des zweiten ICs mit dem Ausgangssignal des ersten ICs vergleicht.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d. h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:
-
1 eine Draufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform,
-
2 eine Draufsicht auf eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform,
-
3 ein Nutzband umgeben von jeweils einem Fehlerband,
-
4 zeitlicher Ablauf mit Entdeckung eines Fehlers und Rückkehr zur normalen Funktion.
-
Die Abbildung der 1 zeigt eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform mit einem Schaltkreisgehäuse 10, welches auch als IC-Gehäuse bezeichnet wird, weist einen ersten Halbleiterkörper 20 mit einer ersten monolithisch integrierten Schaltung 30 auf, wobei die erste Schaltung 30 einen mit einer Bondierungsfläche 40 verschalteten ersten Signalausgang 50 und einen mit einer Bondierungsfläche 60 verschalteten ersten Signaleingang 70 umfasst. Die gesamte Anordnung wird auch als erstes IC bezeichnet.
-
Des Weiteren umfasst das Schaltkreisgehäuse 10 einen zweiten Halbleiterkörper 120 mit einer zweiten monolithisch integrierten Schaltung 130, wobei die zweite Schaltung 130 einen mit einer Bondierungsfläche 140 verschalteten zweiten Signalausgang 150 und einen mit einer Bondierungsfläche 160 verschalteten zweiten Signaleingang 170 umfasst. Die gesamte Anordnung wird auch als zweites IC bezeichnet. Beide Halbleiterkörper 20 und 120 weisen die gleichen Halbleiterbauelemente auf und sind zueinander redundant.
-
Das Schaltkreisgehäuse 10 umfasst ein erstes Kontaktelement 200 mit wenigstens einer Bondierungsfläche 205 und umfasst ein Trägerelement 300, wobei die Bondierungsfläche 40 des ersten Signalausgangs 50 mittels eines Bonddrahtes 400 und die Bondierungsfläche 160 des zweiten Signaleingangs 170 mittels eines Bonddrahtes 402 mit dem Kontaktelement 200 über die Bondierungsfläche 205 verschaltet sind, sodass eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Signalausgang 50 und dem zweiten Signaleingang 170 besteht. Ein Teil 210 des ersten Kontaktelements 200 durchdringt das Schaltkreisgehäuse 10.
-
Vorliegend sind der erste Halbleiterkörper 20 und der zweite Halbleiterkörper 120 auf dem gemeinsamen Träger 300 nebeneinander angeordnet. Der erste Halbleiterkörper 20 und der zweite Halbleiterkörper 120 weisen jeweils einen nicht dargestellten Hallsensor auf.
-
Die Bondierungsfläche 140 des zweiten Signalausgangs 150 ist mittels eines Bonddrahtes 404 mit der Bondierungsfläche 60 des ersten Signaleingangs 70 verschaltet. Anders ausgedrückt, der zweite Signalausgang 150 und der erste Signaleingang 70 sind ausschließlich innerhalb des Schaltkreisgehäuses 10 verschaltet.
-
Die erste Schaltung 30 umfasst einen Komparator 500 mit einem ersten Eingang 510 und einen zweiten Eingang 520. Der erste Signalausgang 50 ist mit dem ersten Eingang 510 des Komparators 500 verschaltet. Des Weiteren ist der erste Signaleingang 70 mit dem zweiten Eingang 520 des Komparators 500 mittels eines Leiterbahnabschnitts 550 verschaltet.
-
Der erste Signalausgang 50 wird mittels eines in der ersten Schaltung 30 ausgebildeten Operationsverstärkers 560 angesteuert, so dass an dem ersten Signalausgang 50 ein analoges Signal anliegt. An einem Eingang 565 des Operationsverstärkers 560 liegt vorzugsweise das Signal des mit der ersten Schaltung 30 integrierten Hallsensors an. Es sei angemerkt, dass der Operationsverstärker 560 als Ausgangsverstärker ausgebildet ist.
-
Der Komparator 500 der ersten Schaltung 30 weist einen mit einer Steuereinheit 570 verschalteten Ausgang 575 auf. Die Steuereinheit 570 der ersten Schaltung 30 ist mit dem Operationsverstärker 560 verschaltet. Hierdurch lässt sich von der Steuereinheit 570 der Operationsverstärkers 560 in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs des Komparators 500 und der Dauer der Abweichung regeln.
-
Die zweite Schaltung 130 umfasst einen Komparator 600 mit einem ersten Eingang 610 und einen zweiten Eingang 620. Der zweite Signalausgang 150 ist mit dem ersten Eingang 610 des Komparators 600 verschaltet. Des Weiteren ist der zweite Signaleingang 170 mit dem zweiten Eingang 620 des Komparators 600 mittels eines Leiterbahnabschnitts 650 verschaltet.
-
Der zweite Signalausgang 150 wird mittels eines in der zweiten Schaltung 130 ausgebildeten Operationsverstärkers 660 angesteuert, so dass an dem zweiten Signalausgang 150 ein analoges Signal anliegt. An einem Eingang 665 des Operationsverstärkers 660 liegt vorzugsweise das Signal des mit der zweiten Schaltung 130 integrierten Hallsensors an. Es sei angemerkt, dass der Operationsverstärker 660 als Ausgangsverstärker ausgebildet ist.
-
Der Komparator 600 der zweiten Schaltung 130 weist einen mit einer Steuereinheit 670 verschalteten Ausgang 675 auf. Die Steuereinheit 670 der zweiten Schaltung 130 ist mit dem Operationsverstärker 660 verschaltet. Hierdurch lässt sich von der Steuereinheit 670 der Operationsverstärkers 660 in Abhängigkeit des Ergebnisses des Vergleichs der Abweichung des Komparators 600 und der Dauer der Abweichung regeln.
-
Die zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform mit einem Schaltkreisgehäuse 10. Nachfolgend werden nur die Unterschiede in der Abbildung der 1 dargestellten Ausführungsform erläutert. Die Bondierungsfläche 140 des zweiten Signalausgangs 150 ist mittels eines Bonddrahtes 405 mit dem zweiten Kontaktelement 201 über die Bondierungsfläche 206 verschaltet. Des Weiteren ist der erste Signaleingang 70 mit einem Bonddraht 406 mit dem zweiten Kontaktelement 201 über die Bondierungsfläche 206 verschaltet, sodass eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Signalausgang 150 und dem ersten Signaleingang 70 besteht. Ein Teil 211 des zweiten Kontaktelements 201 durchdringt das Schaltkreisgehäuse 10. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist das gesamte zweite Kontaktelement 201 ausschließlich innerhalb des Schaltkreisgehäuses 10 ausgebildet
-
Die Abbildung der 3 zeigt ein Nutzband umgeben von jeweils einem Fehlerband. Hierbei wird entlang der y-Achse der Spannungswert des Ausgangssignals aufgetragen und entlang der x-Achse als physikalische Messgröße das Magnetfeld, aufgetragen.
-
Der Spannungswert des dargestellten Ausgangssignals lässt sich zwischen einem Bezugspotential VGND, vorzugsweise dem Massepotential, und einer Versorgungsspannung VSUP variieren. In einem ersten Bereich zwischen dem Massepotential und einem ersten Spannungswert V1 ist ein erstes Fehlerband FB1 ausgebildet. Von dem ersten Spannungswert V1 bis zu einem zweiten Spannungswert V2 ist ein Nutzband NB angeordnet. Von dem zweiten Spannungswert V2 bis zu der Versorgungsspannung ist ein zweites Fehlerband FB2 ausgebildet. Sobald das Ausgangssignal unterhalb V1 ist, wird das Ausgangssignal auf das Bezugspotential VGND gezogen und sobald das Ausgangssignal oberhalb V2 ist, wird das Ausgangssignal auf die Versorgungsspannung VSUP gezogen.
-
Die Abbildung der 4 zeigt den zeitlichen Ablauf mit Entdeckung eines Fehlers und Rückkehr zur normalen Funktion an ausgewählten Schaltungspunkten für die beiden ICs. Hierbei werden entlang der y-Achsen die an den ausgewählten Schaltungspunkten anliegenden Spannungswerte des Ausgangssignals aufgetragen und entlang der x-Achse die Zeit T.
-
Bis zum Zeitpunkt T21 ist die Anordnung im Normalbetrieb. Ab T21 ist Ausgang 150 fehlerhaft. Der Ausgang 150 wird bei T22 vom Komparator 600 detektiert und eine Ablaufsteuerung 670 steuert bei T23 den Ausgang 660 in eines der beiden Fehlerbänder FB1 und FB2. Bei T11 entdeckt der Komparator 500 den Fehler. Die Ablaufsteuerung 570 steuert den Ausgang 560 bei T12 in eines der beiden Fehlerbänder FB1 und FB2.
-
Die Ablaufsteuerung 670 steuert den Ausgang 660 bei T24 in das Nutzband NB zurück. Hiernach steuert die Ablaufsteuerung 570 auch den Ausgang 560 bei T13 in das Nutzband NB zurück. Der Komparator 500 stellt ab T14 keinen Fehler mehr fest. Auch Komparator 600 stellt ab T25 keinen Fehler mehr fest. Die Normalfunktion der Schaltung ist wieder erreicht.
