DE102015202029A1

DE102015202029A1 - Abgleichverfahren und Vorrichtung für einen Drucksensor

Info

Publication number: DE102015202029A1
Application number: DE102015202029.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wuchert; Tilman Stark
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2016-08-11
Also published as: CN105865706A; KR20160096556A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abgleichverfahren (200) für einen Drucksensor (102) mit einem Schritt (202) des Beaufschlagens und einem Schritt (204) des Ermittelns. Im Schritt (202) des Beaufschlagens wird der Drucksensor (102) mit einem Referenzdruckverlauf (106) und einem Referenztemperaturverlauf (110) beaufschlagt, um einen von dem Referenzdruckverlauf (106) und dem Referenztemperaturverlauf (110) abhängigen elektrischen Sensorspannungsverlauf (116) am Drucksensor (102) zu erhalten. Im Schritt (204) des Ermittelns wird zumindest ein Referenzparameter (130) des Drucksensors (102) unter Verwendung zumindest eines Spannungswerts (124) des Sensorspannungsverlaufs (116), zumindest eines charakteristischen Druckwerts (126) des Referenzdruckverlaufs (106) sowie zumindest eines charakteristischen Temperaturwerts (128) des Referenztemperaturverlaufs (110) ermittelt, um den Drucksensor (102) abzugleichen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Abgleichverfahren für einen Drucksensor, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
Ein Sensor beziehungsweise ein Sensorelement, das eine physikalische Größe in einem elektrischen Spannungswert oder elektrischen Stromfluss abbildet, kann ohne Abgleich gegen eine bekannte Referenzgröße nur begrenzt zum Messen der physikalischen Größe verwendet werden, da ein Zusammenhang zwischen der physikalischen Größe und einem Sensorsignal des Sensors nicht oder nur unzureichend bekannt ist.
Die DE 10 2012 222 312 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Charakterisieren eines Temperatursensors.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Abgleichverfahren für einen Drucksensor, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Ein Drucksensor bildet einen Druck in einem elektrischen Drucksignal ab. Dabei ist eine Abbildung des Drucks in dem Drucksignal zusätzlich temperaturabhängig. Mit anderen Worten stellt der Drucksensor je nach Temperatur am Sensorelement des Drucksensors bei gleichem Druck unterschiedliche elektrische Werte bereit. Um das Drucksignal temperaturunabhängig zu erhalten, ist eine Temperaturkompensation des Drucksignals erforderlich.
Diese Kompensation kann durch zumindest einen Kompensationsparameter beziehungsweise Referenzparameter erfolgen. Der Kompensationsparameter kann dabei für jeden einzelnen Drucksensor ermittelt werden.
Es wird ein Abgleichverfahren für einen Drucksensor vorgestellt, wobei das Abgleichverfahren die folgenden Schritte aufweist:
Beaufschlagen des Drucksensors mit einem Referenzdruckverlauf und einem Referenztemperaturverlauf, um einen von dem Referenzdruckverlauf und dem Referenztemperaturverlauf abhängigen elektrischen Sensorspannungsverlauf am Drucksensor zu erhalten; und
Ermitteln zumindest eines Referenzparameters des Drucksensors unter Verwendung zumindest eines Spannungswerts des Sensorspannungsverlaufs, zumindest eines charakteristischen Druckwerts des Referenzdruckverlaufs sowie zumindest eines charakteristischen Temperaturwerts des Referenztemperaturverlaufs, um den Drucksensor abzugleichen.
Unter einem Drucksensor kann ein Sensor mit einem druckempfindlichen Sensorelement verstanden werden. Dabei kann der Druck auf das Sensorelement wirken und eine elastische Verformung des Sensorelements bewirken. Die Verformung kann auch durch eine Druckdifferenz auf gegenüberliegenden Seiten des Sensorelements hervorgerufen werden. Die Verformung kann in einem elektrischen Signal abgebildet werden. Das Sensorelement wirkt der Verformung mit einer Gegenkraft entgegen. Die Gegenkraft ist von Materialkennwerten eines Materials des Sensorelements abhängig. Die Materialkennwerte wiederum können temperaturabhängig sein. Dadurch kann das elektrische Signal sowohl druckabhängig, als auch temperaturabhängig sein. Mit anderen Worten verursacht eine Temperaturänderung ebenso eine Signaländerung, wie eine Druckänderung. Die Signaländerung kann in Bezug zu bekannten Temperaturänderungen und bekannten Druckänderungen gesetzt werden. Der Referenztemperaturverlauf mit mindestens einer Temperaturdifferenz wird hierbei beispielsweise durch definierten Energieeintrag vorzugsweise mittels elektromagnetische Induktion erzeugt.
Der Drucksensor kann durch elektromagnetische Induktion mit dem Referenztemperaturverlauf beaufschlagt werden. Der Referenztemperaturverlauf kann durch Induktionsparameter gesteuert werden. Durch Induktion kann der Drucksensor schnell und effizient mit dem Referenztemperaturverlauf beaufschlagt werden. Induktionsparameter, wie Wellenlänge und Amplitude der elektromagnetischen Wellen stehen direkt zur Verfügung.
Der Drucksensor kann durch die Induktion in einer räumlich von einem Sensorelement des Drucksensors beabstandeten Erwärmungszone erwärmt werden. Das Sensorelement kann durch Wärmeleitung im Drucksensor erwärmt werden. Durch einen Abstand zwischen der Erwärmungszone und dem Sensorelement kann das Sensorelement und/oder eine zugehörige Elektronik vor der Induktion geschützt werden.
Der Drucksensor kann während des Referenztemperaturverlaufs über einen Entspannungszeitraum mit einem Entspannungstemperaturwert beaufschlagt werden, um innerhalb des Entspannungszeitraums mechanische Spannungen im Drucksensor zu entspannen. Durch die Entspannung der Spannungen im Sensor beziehungsweise am Sensorelement während des Abgleichens kann eine Signaldrift des Sensorsignals aufgrund einer Entspannung im Betrieb verringert beziehungsweise verhindert werden. Dadurch kann ein langzeitstabiler Drucksensor erreicht werden.
Der Referenztemperaturverlauf kann zumindest eine charakteristische Temperaturdifferenz zwischen zwei Temperaturwerten umfassen. Der Referenzparameter kann unter Verwendung der Temperaturdifferenz ermittelt werden. Durch eine bekannte Temperaturdifferenz kann das Abgleichen unabhängig von einer absoluten Temperatur und damit unabhängig von Umgebungseinflüssen gemacht werden.
Der Referenzdruckverlauf kann einen ersten charakteristischen Druckwert und zumindest einen zweiten charakteristischen Druckwert umfassen. Zumindest ein erster Referenzparameter kann unter Verwendung des ersten charakteristischen Druckwerts ermittelt werden. Zumindest ein zweiter Referenzparameter kann unter Verwendung des zweiten charakteristischen Druckwerts ermittelt werden. Mehrere Referenzparameter können im Verlauf des Druckverlaufs und/oder des Temperaturverlaufs ermittelt werden. Durch mehrere Referenzparameter kann der Drucksensor genauer abgeglichen werden.
Der Referenzdruckverlauf und der Referenztemperaturverlauf können unabhängig voneinander eingestellt werden. Damit können druckabhängige Referenzparameter unabhängig von temperaturabhängigen Referenzparametern ermittelt werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung zum Abgleichen eines Drucksensors, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Abgleichen eines Drucksensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Abgleichverfahrens für einen Drucksensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 einen zeitlicher Ablauf eines Abgleichverfahrens für einen Drucksensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 einen Temperaturverlauf während eines Abgleichverfahrens für einen Drucksensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 eine Falschfarbendarstellung eines Drucksensors während eines Abgleichs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Abgleichen eines Drucksensors 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 weist eine Einrichtung 104 zum Bereitstellen von Druck 106, eine Einrichtung 108 zum Bereitstellen von Temperatur 110, eine Einrichtung 112 zum Ermitteln und eine Steuereinrichtung 114 zum Ansteuern der Einrichtungen 104, 108 zum Bereitstellen auf.
Die Steuereinrichtung 114 und die Einrichtungen 104, 108 zum Bereitstellen sind dazu ausgebildet, den Drucksensor 102 mit einem Referenzdruckverlauf 106 und einem Referenztemperaturverlauf 110 zu beaufschlagen, um einen von dem Referenzdruckverlauf 106 und dem Referenztemperaturverlauf 110 abhängigen elektrischen Sensorspannungsverlauf 116 am Drucksensor 102 zu erhalten. Dazu steuert die Steuereinrichtung 114 die Einrichtungen 104, 108 zum Bereitstellen über ein Drucksteuersignal 118 und ein Temperatursteuersignal 120 an.
Der Sensorspannungsverlauf 116 wird über eine Schnittstelle 122 der Vorrichtung 100 eingelesen und für die Einrichtung 112 zum Ermitteln zur weiteren Verwendung bereitgestellt.
Die Einrichtung 112 zum Ermitteln verwendet zumindest einen Spannungswert 124 des Sensorspannungsverlaufs 116, zumindest einen charakteristischen Druckwert 126 des Referenzdruckverlaufs 106 sowie zumindest einen charakteristischen Temperaturwert 128 des Referenztemperaturverlaufs 110, um zumindest einen Referenzparameter 130 des Drucksensors 102 zu ermitteln. Der Druckwert 126 und der Temperaturwert 128 werden in diesem Ausführungsbeispiel von der Steuereinrichtung 114 bereitgestellt. Der Druckwert 126 und der Temperaturwert 128 können auch unter Verwendung von nicht dargestellten Referenzsensoren welche vorzugsweise durch sensornahe Temperaturmesseinrichtungen, wie System-ASIC, Pyrometer erfasst werden. Der Referenzparameter 130 dient dazu, den Drucksensor 102 abzugleichen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 108 zum Bereitstellen von Temperatur 110 eine Induktionseinrichtung 108. Die Induktionseinrichtung 108 ist dazu ausgebildet, den Drucksensor 102 durch elektromagnetische Induktion mit dem Referenztemperaturverlauf 110 zu beaufschlagen. Dabei steuert das Temperatursteuersignal 120 Induktionsparameter der Induktionseinrichtung 108. Induktionsparameter können beispielsweise eine Frequenz der elektromagnetischen Wellen, eine Amplitude der elektromagnetischen Wellen und/oder eine Breite eines Luftspalts zwischen der Induktionseinrichtung 108 und dem Drucksensor 102 sein.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Abgleichverfahrens 200 für einen Drucksensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Abgleichverfahren 200 kann auf einer Abgleichvorrichtung, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Das Abgleichverfahren 200 weist einen Schritt 202 des Beaufschlagens und einen Schritt 204 des Ermittelns auf. Im Schritt 202 des Beaufschlagens wird der Drucksensor mit einem Referenzdruckverlauf und einem Referenztemperaturverlauf beaufschlagt, um einen von dem Referenzdruckverlauf und dem Referenztemperaturverlauf abhängigen elektrischen Sensorspannungsverlauf am Drucksensor zu erhalten. Im Schritt 204 des Ermittelns wird zumindest ein Referenzparameter des Drucksensors unter Verwendung zumindest eines Spannungswerts des Sensorspannungsverlaufs, zumindest eines charakteristischen Druckwerts des Referenzdruckverlaufs sowie zumindest eines charakteristischen Temperaturwerts des Referenztemperaturverlaufs ermittelt, um den Drucksensor abzugleichen.
Mit anderen Worten zeigt 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum präzisen Abgleich von Drucksensoren.
Die Variation des Systemverhaltens heutiger Drucksensoren erfordert einen Abgleich über Druck und Temperatur zur Einhaltung der Kennlinientoleranz. Im Mittelpunkt der Anforderungen an künftige Generationen steht die stetige Verringerung dieser Toleranz unter Berücksichtigung des Abgleichaufwandes.
Das Aufheizen der Sensoren zur Charakterisierung auf 90°C kann durch eine Erwärmung der Umgebungsluft erfolgen. Dadurch ergeben sich lange Umtemperierungsvorgänge.
Durch den hier vorgestellten Ansatz mit induktiver Erwärmung ergeben sich demgegenüber verkürzte Durchlaufzeiten. Durch entsprechend wenige Steckplätze im Testsystem für Sensoren ergibt sich ein geringer Platzbedarf. Weiterhin können Energiekosten gesenkt werden. Die schnelle Erwärmung macht die Bestimmung von Temperaturkoeffizienten höherer Ordnung für den Serieneinsatz möglich.
Nach dem Schweißen des Sensorelementes können Drucksensoren reversible Ausgangspannungsänderungen aufweisen. Diese werden durch den ersten Temperaturgang größer 100°C im Fahrzeug abgebaut. Durch den hier vorgestellten Ansatz kann diese Drift vor dem Abgleich leicht ausgeglichen werden.
Durch den hier vorgestellten Ansatz kann die Qualität bzw. die Prüfgenauigkeit erhöht werden. Weiterhin können eine Kennlinientoleranz, ein notwendiger Prüfaufwand sowie Prüfkosten reduziert werden.
Die exakte Ermittlung der temperaturabhängigen Abgleichkoeffizienten von Drucksensoren ist nicht von der absoluten Temperatur, sondern von der Temperaturdifferenz abhängig. Der hier vorgestellte Abgleichprozess mit induktiver Erwärmung ersetzt das Aufheizen auf eine exakte Temperatur durch das Bestimmen der Temperaturdifferenz mithilfe der Induktionsparameter. Die verkürzte Erwärmungszeit ermöglicht dabei die permanente Kontaktierung der Sensoren und dadurch eine vereinfachte Bestimmung von Temperaturkoeffizienten höherer Ordnung.
Der hier vorgestellte Abgleich kann sowohl die räumliche Erwärmungszone des bisherigen Abgleichsystems als auch Fertigungsschritte zum Ausgleich der Drift durch einen einzigen, vereinfachten Prozess ersetzen.
Dabei kann eine Erwärmungszeit verkürzt werden, wodurch eine Länge des Testsystems deutlich verkürzt werden kann und eine Durchlaufzeit sich erheblich verkürzt. Es ergibt sich eine vereinfachte Messung von Temperaturkoeffizienten höherer Ordnung. Weiterhin ergibt sich eine Verringerung des Energiebedarfs durch einen höheren Wirkungsgrad. Zusätzlich kann ein Prüfumfang durch den erweiterten Temperaturbereich erweitert werden. Eine Erhöhung der Genauigkeit um den Betrag des Offsetdrift ist möglich.
Die Brückenspannung UBR von Drucksensorelementen wird außer von ihrer Empfindlichkeit E gegenüber dem Druck p und dem Offset O auch von der Empfindlichkeit gegenüber der Temperaturdifferenz T – T₀ geprägt. Diese Abhängigkeit wird von den Temperaturkoeffizienten des Offsets TKO und der Empfindlichkeit TKE charakterisiert. U_BR = E(T)·p + O(T) mit O(T) = O + TKO1·(T – T₀) + TKO2·(T – T₀)² + ... E(T) = E·(TKE1·(T – T₀) + TKE2·(T – T₀)² + ...
Der hier vorgestellte Abgleichprozess macht sich zunutze, dass mit einer bestimmten eingebrachten Wärmemenge Q_IN immer die gleiche Temperaturänderung T – T₀ in einem Sensor mit gleicher spezifischer Wärmekapazität c und Masse m verbunden ist. T – T₀ = Q_IN/(c·m)
Die eingebrachte Wärmemenge Q_IN ist in Abhängigkeit der Betriebsparameter der Induktionsanlage (Erregerfrequenz f, Induktorstrom I) und des Sensormaterials (Permeabilität p, spezifischer Widerstand ρ. Werkstuckdicke d) mit hoher Reproduzierbarkeit darstellbar. Q_IN·t = k·I²(μ·ρ·f)^0,5
Das ist gültig für Eindringtiefen von σ = (ρ/(µ·f))^0,5 < d/2
Zusammenfassend ergibt sich die Brückenspannung für einen Messpunkt des Abgleichs ohne Druckbeaufschlagung zu U_BR(p = 0) = O + TKO1·(Q_IN/(c·m)) + TKO2·(Q_IN/(c·m))² sowie druckbeaufschlagt zu U_BR = E·p·(1 + TKE1·(Q_IN/(c·m)) + TKE2·(Q_IN/(c·m))² + ...) + TKO1·(Q_IN/(c·m)) + TKO2·(Q_IN/(c·m))²
Die Messungen zur Umsetzung des hier vorgestellten Abgleichverfahrens geschehen vorteilhafterweise nach dem folgend beschriebenen Abgleichregime.
Die Sensoren werden elektrisch und pneumatisch kontaktiert. In mehreren Schritten werden sie zunächst druckbeaufschlagt zur Bestimmung der TKE und folgend drucklos zur Bestimmung der TKO erwärmt. Nach jeder Erhöhung der Temperatur erfolgt ohne Notwendigkeit einer neuen elektrischen Kontaktierung die Rückmessung der Sensorspannung. Die Bestimmung der Temperaturdifferenz kann über den vorangehend aufgezeigten Weg ohne separate Temperaturmessung erfolgen. Die Zwischenschritte der Temperaturänderung können je nach benötigter Ordnung der Abgleichparameter bis hin zu einem kontinuierlichen Erwärmungsprozess erhöht werden.
Aus den Messungen ergibt sich ein Gleichungssystem, dass nach Systemparametern O, E, TKO1..n, TKE1..n auflösbar ist.
Eine beispielhafte Umsetzung des beschriebenen Abgleichprozesses zeigt 3.
Alternativ zum dargestellten Abgleichregime kann der erste Teil der Erwärmung zur Überwindung der schweißprozessbedingten Drift eingesetzt werden. Durch den hohen Wirkungsgrad der Erwärmung kann das Sensorelement effektiv auf die benötigte Temperatur größer 100°C gebracht werden. Die Ermittlung der verbleibenden Temperaturkoeffizienten kann dann im Temperaturbereich nach Ausheilen der Offsetverschiebung, in einem weiteren lterationsschritt oder durch anschließenden konventionellen Abgleich erfolgen. Bei letzterer Variante führt die induktive Wärmezufuhr dort zu einer verkürzten Aufheizphase.
3 zeigt einen zeitlichen Ablauf 300 eines Abgleichverfahrens für einen Drucksensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Abgleichverfahren entspricht dabei im Wesentlichen dem in 2 beschriebenen Abgleichverfahren.
Der Ablauf 300 ist unter Verwendung einer Druckkurve 302, die einen Referenzdruckverlauf repräsentiert, und einer Temperaturkurve 304, die einen Referenztemperaturverlauf repräsentiert, dargestellt. Die Druckkurve 302 und die Temperaturkurve 304 sind in einem gemeinsamen Diagramm aufgetragen, auf dessen Abszisse eine fortlaufende Zeit t aufgetragen ist. Auf der Ordinate sind einerseits ein Druckwert p und andererseits ein Temperaturwert T aufsteigend angetragen. Dabei können der Druck p und die Temperatur T unterschiedlich skaliert sein. Bei dem hier dargestellten Ablauf 300 sind weder der Druck p noch die Temperatur T als absolute Werte angetragen.
Der Druck p schwankt hier zwischen einem ersten Druckwert p₀ und einem zweiten Druckwert p₁. Der Druck p steigt und fällt dabei schnell. Insbesondere fällt und steigt der Druck p schlagartig. Die Druckwerte p₀ und p₁ können als charakteristische Druckwerte bezeichnet werden.
Die Temperatur T schwankt hier zwischen einem ersten Temperaturwert T₀ und einem zweiten Temperaturwert T₁. Die Temperatur T weist dabei zwei Zwischenwerte auf. Die Zwischenwerte begrenzen dabei eine Wärmemenge Q_IN.
Während des Ablaufs 300 werden hier mehrere Referenzparameter ermittelt. Dazu weist der Ablauf 300 drei Phasen 306, 308, 310 auf. Am Anfang des Ablaufs, zu Beginn der ersten Phase 306, steigt der Druck p von p₀ auf p₁. Der Druck p bleibt während der ganzen ersten Phase 306 auf p₁. Am Ende der ersten Phase 306 sinkt der Druck p wieder von p₁ auf p₀. In der ersten Phase 306 werden zwei Referenzparameter TKE1, TKE2 ermittelt. Zu Beginn der ersten Phase 306 verharrt die Temperatur T auf T₀. Dann wird die Temperatur T auf einen unteren Grenzwert von Q_IN gesteigert. Auf dem unteren Grenzwert und bei p₁ wird unter Verwendung der jetzt anliegenden Sensorspannung der erste Referenzparameter TKE1 ermittelt. Der erste Referenzparameter TKE1 repräsentiert einen Temperaturempfindlichkeitskoeffizienten. Anschließend wird die Temperatur T auf einen oberen Grenzwert von Q_IN gesteigert. Auf dem oberen Grenzwert und bei p₁ wird unter Verwendung der jetzt anliegenden Sensorspannung der zweite Referenzparameter TKE2 ermittelt. Der zweite Referenzparameter TKE2 repräsentiert ebenfalls einen Temperaturempfindlichkeitskoeffizienten. Eine Temperaturdifferenz zwischen dem unteren Grenzwert von Q_IN und dem oberen Grenzwert von Q_IN ist charakteristisch. Beim Ermitteln der Temperaturempfindlichkeitskoeffizienten kann die Temperaturdifferenz in Relation zu einer elektrischen Spannungsdifferenz zwischen dem Spannungswert an dem unteren Grenzwert und dem Spannungswert an dem oberen Grenzwert gesetzt werden.
Zu Beginn der zweiten Phase 308 fällt der Druck p von p₀ auf p₁ und bleibt während der ganzen zweiten Phase 308 auf p₀. In der zweiten Phase 308 werden zwei weitere Referenzparameter TKO1, TKO2 ermittelt. Die Temperatur T verharrt zu Beginn der zweiten Phase 308 auf dem oberen Grenzwert von Q_IN. Auf dem oberen Grenzwert und bei p₀ wird unter Verwendung der jetzt anliegenden Sensorspannung der dritte Referenzparameter TKO1 ermittelt. Der dritte Referenzparameter TKO1 repräsentiert einen Temperaturoffsetkoeffizienten. Anschließend wird die Temperatur T auf T₁ erhöht. Bei T₁ und p₀ wird unter Verwendung der jetzt anliegenden Sensorspannung der vierte Referenzparameter TKO2 ermittelt. Der vierte Referenzparameter TKO2 repräsentiert ebenfalls einen Temperaturoffsetkoeffizienten. Zum Ende der zweiten Phase 308 wird die Temperatur T durch natürliche Wärmeabstrahlung von T₁ auf T₀ abfallen gelassen.
In der dritten Phase 310 werden zwei weitere Referenzparameter O, E ermittelt. Zu Beginn der dritten Phase 310 ist der Druck p auf p₀. Die Temperatur T ist auf T₀. Unter Verwendung der jetzt anliegenden Sensorspannung wird der fünfte Referenzparameter O ermittelt. Der fünfte Referenzparameter O repräsentiert einen Offset des Drucksensors. Anschließend wird der Druck p von p₀ auf p₁ angehoben. Bei T₀ und p₁ wird der sechste Referenzparameter E ermittelt. Der sechste Referenzparameter E repräsentiert eine Empfindlichkeit des Drucksensors. Am Ende der dritten Phase 310 fällt der Druck p erneut von p₁ auf p₀.
In einem Ausführungsbeispiel wird der Drucksensor vor der ersten Phase 306 mit einem Entspannungstemperaturwert beaufschlagt. Dieser Entspannungstemperaturwert wird über einen Entspannungszeitraum gehalten, um mechanische Spannungen im Drucksensor zu entspannen. Dadurch kann das Abgleichen an einem mechanisch entspannten Drucksensor erfolgen. Der entspannte Drucksensor weist gegenüber einem verspannten Sensor eine verbesserte thermische Stabilität beziehungsweise eine verringerte Signaldrift auf.
4 zeigt Temperaturverläufe 400, 402, 404, 406 während eines Abgleichverfahrens für einen Drucksensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Temperaturverläufe 400, 402, 404, 406 sind in einem Zeit-Temperatur-Diagramm aufgetragen. Dabei repräsentieren die Temperaturverläufe 400, 402, 404, 406 Temperaturen an verschiedenen Teilbereichen eines Drucksensors. Der Drucksensor wird dabei in einem Erwärmungsbereich induktiv erwärmt. Die Temperatur des Erwärmungsbereichs ist durch den ersten Temperaturverlauf 400 abgebildet. Die weiteren Temperaturverläufe 402, 404, 406 repräsentieren Bereiche des Drucksensors, die eine größere werdende Entfernung zu dem Erwärmungsbereich aufweisen. Der zweite Temperaturverlauf 402 repräsentiert eine Temperatur an einer Mitte des Drucksensors. Der dritte Temperaturverlauf 404 repräsentiert eine Temperatur an einem Sensorelement des Drucksensors und der vierte Temperaturverlauf 406 repräsentiert eine Temperatur an einem Befestigungselement des Drucksensors. Damit zeigen die Temperaturverläufe 402, 404, 406 proportional zu ihrer Entfernung von dem Erwärmungsbereich eine zeitliche Verzögerung beziehungsweise eine Trägheit gegenüber dem Temperaturverlauf 400 des Erwärmungsbereichs.
Aus den Verläufen 400, 402, 404, 406 ist erkennbar, dass der Drucksensor geringere Wärmeverluste aufweist, als durch die induktive Erwärmung zugeführt werden kann. Damit ist innerhalb eines Toleranzbereichs eine gewisse Temperaturstabilität des Drucksensors inklusive seines Sensorelements gegeben, nachdem die Energiezufuhr zu dem Erwärmungsbereich abgestellt worden ist.
Der Vergleich der Temperaturverläufe 400, 402, 404, 406 verschiedener Bauteile aus dem Vorversuch zeigt eine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit vom unteren Bereich des Druckstutzens zum Sensorelement. Ein entsprechend schnelles Durchwärmen ist möglich.
Der Gradient der Abkühlung ist auch bei Umgebungstemperaturen von 20°C so flach, dass das Sensorelement für ausreichend lange Zeit in einem Korridor von ±4°C um die angestrebte Abgleichtemperatur bleibt.
Die vollständige Charakterisierung der Testsensoren direkt nach der Voruntersuchung ergab keine Ausfallteile. Vorschädigungen beispielsweise des ASICs, die zu einem späteren Feldausfall führen können, wurden mittels Zuverlässigkeitsprüfung nicht festgestellt.
5 zeigt eine Falschfarbendarstellung eines Drucksensors 102 während eines Abgleichens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Eine Oberflächentemperatur des Drucksensors 102 ist durch unterschiedlich schattierte Gebiete dargestellt.
Der Drucksensor 102 ist während eines induktiven Erwärmens der Erwärmungszone 508 dargestellt. Dabei ist erkennbar, dass die Erwärmungszone 508 die höchste Temperatur aufweist, die Temperatur entlang des Druckstutzens 500 abnimmt und der Bereich des Sechskants 504, der Leiterplatte 506 und des Sensorelements 502 deutlich kühler bleibt, als die Erwärmungszone 508. Dadurch wird die Auswerteelektronik vor Einflüssen des elektromagnetischen Feldes während der induktiven Erwärmung geschützt. Während der Erwärmung und nachdem die induktive Erwärmung beendet ist, wird die Wärmeenergie aus der Erwärmungszone 508 durch den dargestellten Wärmestrom 510 gezielt zu dem Sensorelement 502 transportiert.
Die technische Umsetzung der induktiven Erwärmung geschieht vorteilhafterweise gezielt im unteren Bereich des Druckstutzens 500. Das Wärmebild aus einem Vorversuch zeigt die Beschränkung auf den unteren Bereich 508 des Druckstutzens 500.
Die weiteren Bestandteile des Sensors 102 werden durch Wärmeleitung auf Temperatur gebracht, wodurch die elektrischen Bauelemente 502, 506 des Sensors 102 dem Feld weniger ausgesetzt sind. Die Sensorausgangsspannung wird von der induktiven Erwärmung unter anderem auch aufgrund der EMV-Beschaltung der Leiterplatte 506 nicht beeinträchtigt, wobei für stärkere Magnetfelder auch eine auf die Erregerfrequenz abgestimmte Filterung möglich ist.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012222312 A1 [0003]

Claims

Abgleichverfahren (200) für einen Drucksensor (102), wobei das Abgleichverfahren (200) die folgenden Schritte aufweist: Beaufschlagen (202) des Drucksensors (102) mit einem Referenzdruckverlauf (106) und einem Referenztemperaturverlauf (110), um einen von dem Referenzdruckverlauf (106) und dem Referenztemperaturverlauf (110) abhängigen elektrischen Sensorspannungsverlauf (116) am Drucksensor (102) zu erhalten; und Ermitteln (204) zumindest eines Referenzparameters (130) des Drucksensors (102) unter Verwendung zumindest eines Spannungswerts (124) des Sensorspannungsverlaufs (116), zumindest eines charakteristischen Druckwerts (126) des Referenzdruckverlaufs (106) sowie zumindest eines charakteristischen Temperaturwerts (128) des Referenztemperaturverlaufs (110), um den Drucksensor (102) abzugleichen, insbesondere wobei der Referenztemperaturverlauf mit mindestens einer Temperaturdifferenz durch definierten Energieeintrag erzeugt und/oder gesteuert wird.
Abgleichverfahren (200) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt (202) des Beaufschlagens der Drucksensor (102) durch elektromagnetische Induktion mit dem Referenztemperaturverlauf (110) beaufschlagt wird, wobei der Referenztemperaturverlauf (110) durch Induktionsparameter (120) gesteuert wird.
Abgleichverfahren (200) gemäß Anspruch 2, bei dem im Schritt (202) des Beaufschlagens der Drucksensor (102) durch die Induktion in einer räumlich von einem Sensorelement (502) des Drucksensors (102) beabstandeten Erwärmungszone (508) erwärmt wird, wobei das Sensorelement (502) durch Wärmeleitung (510) im Drucksensor (102) erwärmt wird.
Abgleichverfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (202) des Beaufschlagens der Drucksensor (102) während des Referenztemperaturverlaufs (110) über einen Entspannungszeitraum mit einem Entspannungstemperaturwert beaufschlagt wird, um innerhalb des Entspannungszeitraums mechanische Spannungen im Drucksensor (102) zu entspannen.
Abgleichverfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Beaufschlagens (202) der Referenztemperaturverlauf (110) zumindest eine charakteristische Temperaturdifferenz (T – T₀) zwischen zwei Temperaturwerten umfasst, wobei im Schritt (204) des Ermittelns der Referenzparameter (130) unter Verwendung der Temperaturdifferenz (T – T₀) ermittelt wird, welche insbesondere über definierten Energieeintrag in Sensor, und/oder auch durch sensornahe Temperaturmesseinrichtungen, wie insbesondere einen System-ASIC und/oder Pyrometer ermittelt wird.
Abgleichverfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (202) des Beaufschlagens der Referenzdruckverlauf (106) einen ersten charakteristischen Druckwert (p₀) und zumindest einen zweiten charakteristischen Druckwert (p₁) umfasst.
Abgleichverfahren (200) gemäß Anspruch 6, bei dem im Schritt (204) des Ermittelns zumindest ein erster Referenzparameter (130) unter Verwendung des ersten charakteristischen Druckwerts (p₀) ermittelt wird und zumindest ein zweiter Referenzparameter (130) unter Verwendung des zweiten charakteristischen Druckwerts (p₁) ermittelt wird.
Abgleichverfahren (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt (202) des Beaufschlagens der Referenzdruckverlauf (106) und der Referenztemperaturverlauf (110) unabhängig voneinander eingestellt werden.
Vorrichtung (100), die ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen.
Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 10.