DE102016122672B4

DE102016122672B4 - Verfahren zum Betreiben eines Sensors und Sensor

Info

Publication number: DE102016122672B4
Application number: DE102016122672.6A
Authority: DE
Inventors: Benno Mühlbacher; Andreas Wiesbauer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2016-11-24
Filing date: 2016-11-24
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2036-11-25
Also published as: US20180146297A1; DE102016122672A1; CN108106641A; CN108106641B; US10455330B2

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Sensors (20), bei dem:
in dem Sensor (20) zeitweise ein Betriebsstrom erzeugt wird,
in dem Sensor (20) ein Blindstrom (23) erzeugt wird, wenn der Betriebsstrom nicht erzeugt wird, und
der Blindstrom (23) nicht erzeugt wird, wenn der Betriebsstrom erzeugt wird,
wobei ein Wert (IB) des Blindstroms (23) gleich oder näherungsweise gleich einem Wert (IO) des Betriebsstroms ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors und einen Sensor.
Ein Sensor kann beispielsweise ein Schallsensor, also ein Mikrofon, ein Temperatursensor, ein Drucksensor oder ein Gassensor sein. Heutzutage weisen viele Vorrichtungen Sensoren zum Erfassen ihrer Umgebung auf. Beispielsweise weisen Mobiltelefone, Tablet-Computer, Handheld-Computer, Laptops und/oder Bildschirme kleine Mikrofone, insbesondere miniaturisierte Mikrofone, auf. Aber auch andere Vorrichtungen wie zum Beispiel Hausgeräte oder Kraftfahrzeuge, weisen regelmäßig Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren, Drucksensoren oder Gassensoren auf.
In derartigen Sensoren fließen regelmäßig diverse Betriebsströme, beispielsweise zum Initialisieren einer Messung, zum Durchführen einer Messung und/oder zum Übertragen eines Werts, der repräsentativ für die entsprechende erfasste Messgröße ist. Die Betriebsströme können jedoch die Qualität der Messungen beeinträchtigen und/oder verfälschen. Beispielsweise werden die entsprechenden Sensoren oder zumindest Teilbereiche der Sensoren ungewollt mittels der Betriebsströme erwärmt, wodurch die entsprechenden Messergebnisse beeinflusst werden können. Außer den zeitlich variablen Betriebsströmen können in den Sensoren noch zeitlich konstante Grundströme fließen, beispielsweise zum Aufrechterhalten eines Stand-By-Betriebs. Die konstanten Grundströme tragen zu einer konstanten Erwärmung der Sensoren bei. Die Betriebsströme und die Grundströme bilden zusammen die Gesamtbetriebsströme der Sensoren.
Herkömmliche Mikrofone beispielsweise, insbesondere miniaturisierte Mikrofone, weisen häufig je ein Mikrosystem (MEMS) mit einer Membran, einen Analog-Digital-Wandler, einen Verstärker und/oder einen integrierten Schaltkreis und eine Schnittstelle zur Kommunikation mit einer bezüglich des Mikrofons externen Vorrichtung, sowie optional einen Temperatursensor auf. Die Membran bildet zusammen mit einem elektrisch leitenden Plättchen einen Kondensator in dem Mikrofon. Die Membran dient dazu, Druck- und/oder Schallschwingungen aufzunehmen, welche die Membran in entsprechende Schwingungen versetzen. Aufgrund der schwingenden Membran ändert sich ein Abstand zwischen der Membran und dem Plättchen, welcher eine umgekehrt proportionale Kapazitätsänderung zur Folge hat, welche durch einen entsprechenden integrierten Schaltkreis ausgewertet werden kann.
Optional kann der integrierte Schaltkreis die elektrischen Signale verstärken, modulieren und/oder auf andere Art und Weise verändern. Gegebenenfalls kann der Analog-Digital-Wandler das analoge Signal in ein digitales Signal umwandeln. Der Analog-Digital-Wandler und der Verstärker/Impedanzwandler können beispielsweise Elemente des integrierten Schaltkreises sein. Der integrierte Schaltkreis kann die gegebenenfalls veränderten elektrischen Signale über die Schnittstelle an die bezüglich des Mikrofons externe Vorrichtung weiterleiten. Der optional vorgesehene Temperatursensor kann dazu dienen, die Temperatur des Mikrofons zu erfassen und beim Auswerten und/oder Weiterverarbeiten des elektrischen Signals des Mikrofons zu berücksichtigen, um eine möglichst gute Tonaufnahmequalität bereitstellen zu können.
Beim Betrieb eines derartigen Mikrofons werden grundsätzlich zeitlich konstante Grundströme verwendet, es können aber auch sich regelmäßig ändernde Betriebsströme innerhalb des Mikrofons auftreten. Die konstanten Grundströme dienen dazu, die Funktionalität des Mikrofons bereitzustellen. Die sich ändernden Betriebsströme erfolgen unter anderem bei einer Kommunikation insbesondere zwischen dem Mikrosystem und dem integrierten Schaltkreis, dem integrierten Schaltkreis und der Schnittstelle und/oder dem Temperatursensor und dem integrierten Schaltkreis mithilfe modulierter Ströme, welche als die Betriebsströme bezeichnet werden können, wobei die Informationen, die bei der Kommunikation ausgetauscht werden in der entsprechenden Modulation codiert sind. Zusätzlich erfordern einige Übertragungsformen und/oder Übertragungsprotokolle je ein Taktsignal, um das modulierte Signal zu dem modulieren und die Informationen aus dem entsprechenden Signal zu extrahieren.
Die Betriebsströme können zu einem relativ schnellen Erwärmen des Mikrofons, insbesondere des Mikrosystems und der Membran, führen und falls die Betriebsströme abrupt abbrechen, zum Beispiel bei Kommunikationspausen, so kann dies zu einem relativ schnellen Abkühlen des Mikrofons, insbesondere des Mikrosystems und der Membran, führen. Eine derartige Temperaturveränderung des Mikrosystems und insbesondere der Membran führt zu einer Verformung der Membran und damit zu einer Druckveränderung in der Druckkammer, welche von dem Mikrosystem und dem integrierten Schaltkreis als elektrisches Signal oder zumindest als Teil des elektrischen Signals registriert werden und ein niederfrequentes Rauschen oder auch einen Ton in dem Ausgangssignal des Mikrofons bewirkt,was, sofern hörbar, als Brummen wahrnehmbar ist.
Auf vergleichbare Art und Weise können auch Betriebsströme in anderen Sensoren die entsprechenden Messergebnisse beeinflussen. Beispielsweise treten in allen Sensoren Betriebsströme auf, die zur Kommunikation der Sensoren mit entsprechenden externen Vorrichtungen dienen, insbesondere zum Übertragen von Daten, die repräsentativ für die erfassten Messwerte sind. Alternativ oder zusätzlich können allgemein Betriebsströme auftreten, die zum Betrieb des entsprechenden Sensors dienen. Beispielsweise gibt es Gassensoren, die im Betrieb mittels diverser Betriebsströme beheizt werden, welche sich ebenfalls negativ auf die Messgenauigkeit auswirken können.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors bereitzustellen, das dazu beiträgt, dass ein Rauschen und/oder eine Störung in einem Ausgangssignal des Sensors besonders gering ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor bereitzustellen, bei dem ein Störer in einem Ausgangssignal des Mikrofons besonders gering ist.
Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors. Dabei wird in dem Sensor zeitweise ein Betriebsstrom erzeugt. In dem Sensor wird ein Blindstrom erzeugt, wenn der Betriebsstrom nicht erzeugt wird, und der Blindstrom wird nicht erzeugt, wenn der Betriebsstrom erzeugt wird, wobei ein Wert des Blindstroms gleich oder näherungsweise gleich einem Wert des Betriebsstroms ist.
Somit wird immer, wenn kein Betriebsstrom fließt, der Blindstrom erzeugt, beispielsweise mittels einer Blindstromquelle, so dass dann der Blindstrom fließt. Im Unterschied dazu wird dann, wenn der Betriebsstrom fließt, dafür gesorgt, dass der Blindstrom nicht mehr fließt, beispielsweise mittels Abschaltens der Blindstromquelle. Somit fließt zu jedem Zeitpunkt ein Strom in dem Sensor, insbesondere entweder der Betriebsstrom oder der Blindstrom. Da die Werte des Blindstroms und des Betriebsstroms gleich oder zumindest näherungsweise gleich sind, fließen zu jeder Zeit vergleichbare Ströme in dem Sensor. Anschaulich bilden der Betriebsstrom und der Blindstrom eine im Wesentlichen zeitlich konstante Größe, die beim Betrieb des Sensors besser berücksichtigt werden kann als eine zeitlich nicht konstante Störgröße. Beispielsweise tragen beide Ströme im gleichen Maß zu der Erwärmung des Sensors bei. Dies bewirkt unabhängig davon, ob der Betriebsstrom fließt oder nicht, eine gleichbleibende Temperatur des Sensors. Im Falle eines Mikrofons als Sensor kann dies beispielsweise zu einer gleichbleibenden Temperatur eines Mikrosystems des Mikrofons, insbesondere einer Membran des Mikrofons führen. Somit führen ein Anschalten oder ein Abschalten des Betriebsstroms nicht mehr zu einer Temperaturveränderung des Sensors und, im Falle des Mikrofons, nicht mehr zu einer Verformung der Membran. Dies bewirkt, dass ein Rauschen und/oder eine Störung, die durch eine Temperaturveränderung verursacht werden können, in einem Ausgangssignal des Sensors besonders gering oder sogar vollständig eliminiert sind. Dies trägt dazu bei, dass der Sensor eine besonders hohe Messgenauigkeit hat. Im Falle des Mikrofons kann eine derartige Störung als Störton auftreten, insbesondere als niederfrequentes Rauschen. Die Eliminierung dieser Störung mithilfe des Blindstroms trägt dazu bei, dass das Mikrofon eine besonders gute Aufnahmequalität hat. Zusätzlich zu dem Betriebsstrom und dem Blindstrom kann optional noch ein zeitlich konstanter Grundstrom in dem Sensor fließen, der aber aufgrund seiner zeitlichen Konstanz nicht kompensiert werden muss und in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden kann.
Der Blindstrom dient somit beispielsweise zum Erwärmen des Sensors, beispielsweise des Mikrofons, insbesondere des Mikrosystems, insbesondere der Membran. Der Blindstrom dient somit nicht zum Austauschen von Informationen innerhalb des Sensors und/oder nicht zum Betreiben eines oder mehrerer Bauelemente des Sensors. Der Blindstrom bewirkt zwar einerseits einen erhöhten Strom- und Energiebedarf des Sensors, trägt aber andererseits zur besonders guten Messqualität des Sensors bei.
Der Wert des Betriebsstroms kann beispielsweise repräsentativ für eine Stromstärke, eine Stromfrequenz und/oder einen Stromfluss des Betriebsstroms sein. Beispielsweise kann der Wert des Betriebsstroms die Stromstärke, die Stromfrequenz bzw. der Stromfluss des Betriebsstroms selbst sein. Alternativ dazu kann der Wert des Betriebsstroms ein Wert einer Betriebsspannung, die den Betriebsstrom verursacht oder die von dem Betriebsstrom verursacht wird, sein. Der Wert der Betriebsspannung kann beispielsweise eine maximale Amplitude der Betriebsspannung oder eine Frequenz der Betriebsspannung sein.
Gemäß einer Weiterbildung wird überprüft, ob der Betriebsstrom erzeugt wird oder nicht. Diese Überprüfung kann beispielsweise mittels eines integrierten Schaltkreises des Sensors oder mittels einer bezüglich des Sensors externen Vorrichtung erfolgen.
Gemäß einer Weiterbildung werden mittels des Betriebsstroms Informationen übertragen. In anderen Worten kann der Betriebsstrom ein Kommunikationsstrom oder ein Informationsstrom sein. Beispielsweise wird die Information in Form einer Modulation eines Gleich- oder Wechselstroms übertragen. Der Kommunikationsstrom kann beispielsweise ein Kommunikations-Taktsignal sein oder aufweisen.
Gemäß einer Weiterbildung fließt der Betriebsstrom über eine Schnittstelle des Sensors, wobei die Schnittstelle zur Kommunikation mit einer externen Vorrichtung ausgebildet ist. Beispielsweise stellt der Sensor der externen Vorrichtung die Informationen zur Verfügung, die in den Betriebsstrom codiert sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Betriebsstrom dazu dienen, Informationen von der externen Vorrichtung über die Schnittstelle zu dem integrierten Schaltkreis zu übertragen.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Sensor eine elektronische Einheit auf und der Betriebsstrom dient zum Übertragen von Informationen der elektronischen Einheit. Beispielsweise stellt die elektronische Einheit dem integrierten Schaltkreis die Informationen bereit und/oder die elektrische Einheit empfängt die Informationen von dem integrierten Schaltkreis.
Gemäß einer Weiterbildung dient der Betriebsstrom zum Übertragen von Informationen von der elektronischen Einheit zu der externen Vorrichtung. Alternativ oder zusätzlich kann der Betriebsstrom dazu dienen, die Informationen von der externen Vorrichtung über die Schnittstelle und den integrierten Schaltkreis zu der elektronischen Einheit zu übertragen.
Gemäß einer Weiterbildung werden die Informationen zwischen der elektronischen Einheit und der externen Vorrichtung über den integrierten Schaltkreis ausgetauscht. In anderen Worten dient der integrierte Schaltkreis dazu, die von der elektronischen Einheit empfangenen Informationen an die externe Vorrichtung weiterzuleiten oder die von der externen Vorrichtung empfangenen Informationen an die elektronische Einheit weiterzuleiten.
Gemäß einer Weiterbildung ist die elektronische Einheit ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur in dem Sensor, wobei die Information repräsentativ für die Temperatur ist. Somit kann der Betriebsstrom derart moduliert sein, dass er repräsentativ für die Temperatur des Sensors ist. Die Temperatur des Sensors kann im Falle des Mikrofons als Sensor insbesondere die Temperatur des Mikrosystems, insbesondere die Temperatur der Membran sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Wert des Blindstroms fest vorgegeben. Beispielsweise kann bei der Entwicklung des Sensors empirisch ermittelt werden, welcher Betriebsstrom normalerweise beim Betrieb des Sensors auftritt und welchen Wert der entsprechende Betriebsstrom hat. Dieser Wert kann auf den Wert des Blindstroms übertragen werden, welcher in einem Speicherelement des Sensors gespeichert werden kann oder in Form einer hartverdrahteten Logik in dem Sensor bereitgestellt werden kann. Im normalen Betrieb des Sensors kann der integrierte Schaltkreis dann den Blindstrom mittels der Blindstromquelle mit dem entsprechenden Wert des Blindstroms bereitstellen.
Gemäß einer Weiterbildung wird der Wert des Betriebsstroms erfasst und der Wert des Blindstroms wird an den erfassten Wert des Betriebsstroms angepasst. Beispielsweise kann der Detektionsschaltkreis nicht nur erfassen, ob der Betriebsstrom fließt oder nicht, sondern auch den Wert des Betriebsstroms erfassen. Der integrierte Schaltkreis kann dann die Blindstromquelle derart ansteuern, dass der Blindstrom mit dem entsprechenden Wert bereitgestellt wird.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Sensor als Mikrofon ausgebildet. Das Mikrofon weist ein Mikrosystem mit einer Membran zum Erfassen von Schallwellen und den integrierten Schaltkreis auf, der mit dem Mikrosystem elektrisch verbunden ist und der dazu ausgebildet ist, ein Signal, das repräsentativ für eine Bewegung der Membran ist, von dem Mikrosystem zu empfangen. Alternativ dazu ist der Sensor als Drucksensor oder Gassensor ausgebildet.
Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch den Sensor aufweisend: einen integrierten Schaltkreis, der dazu ausgebildet ist, einen Betriebsstrom in dem Sensor zu erzeugen, und eine Blindstromquelle, die mit dem integrierten Schaltkreis elektrisch verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, einen Blindstrom zu erzeugen, wenn der Betriebsstrom nicht erzeugt wird, wobei ein Wert des Blindstroms gleich oder näherungsweise gleich dem Wert des Betriebsstroms ist.
Die im Vorhergehenden genannten Vorteile und Weiterbildungen des Verfahrens zum Betreiben des Sensors können ohne weiteres auf den Sensor übertragen werden.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Sensor einen Detektionsschaltkreis auf, der mit dem integrierten Schaltkreis verbunden ist und der dazu ausgebildet ist, zu erkennen, ob der Betriebsstrom fließt oder nicht.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Detektionsschaltkreis dazu ausgebildet, den Wert des Betriebsstroms zu erfassen, und der integrierte Schaltkreis ist dazu ausgebildet, die Blindstromquelle so anzusteuern, dass sie den Wert des Blindstroms an den erfassten Wert des Betriebsstroms anpasst.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Sensor die Schnittstelle auf, die zur Kommunikation mit der externen Vorrichtung ausgebildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung erzeugt der integrierte Schaltkreis den Betriebsstrom in Reaktion auf ein erstes Kommunikationssignal der externen Vorrichtung und die Blindstromquelle erzeugt den Blindstrom in Reaktion auf ein zweites Kommunikationssignal der externen Vorrichtung.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Sensor die elektronische Einheit auf, wobei der Betriebsstrom zum Übertragen von Informationen der elektronischen Einheit dient.
Gemäß einer Weiterbildung ist die elektronische Einheit der Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur in dem Sensor und die Information ist repräsentativ für die Temperatur.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Sensor die Speichereinheit auf, auf der der Wert des Blindstroms als Festwert gespeichert ist.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Sensor als Mikrofon ausgebildet und weist ein Mikrosystem mit einer Membran zum Erfassen von Schallwellen auf, wobei der integrierte Schaltkreis mit dem Mikrosystem elektrisch verbunden ist und dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal, das repräsentativ für eine Bewegung der Membran ist, von dem Mikrosystem zu empfangen. Alternativ dazu ist der Sensor als Drucksensor oder Gassensor ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung;
2 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Sensors;
3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Sensors
4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Mikrofons;
5 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Mikrofons;
6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensors;
7 Beispiele von Diagrammen zum Erläutern eines Funktionsprinzips des Verfahrens zum Betreiben eines Sensors gemäß 3;
8 ein Beispiel eines Diagramms zum Erläutern eines Effekts des Verfahrens zum Betreiben eines Mikrofons gemäß 3;
9 Beispiele von Stromverläufen, die beim Durchführen des Verfahrens zum Betreiben eines Sensors auftreten.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 20. Die Sensoranordnung 20 weist einen Sensor 20 und eine bezüglich des Sensors 20 externe Vorrichtung 16 auf. Der Sensor 20 ist beispielsweise ein Gassensor, ein Drucksensor, ein Temperatursensor oder ein Schallwellensensor, insbesondere ein Mikrofon. Die externe Vorrichtung 16 weist einen Prozessor zum Verarbeiten, Senden und/oder Empfangen von Daten auf. Ferner kann die externe Vorrichtung 16 ein Speicherelement zum Speichern von Daten aufweisen. Die externe Vorrichtung 16 dient zum Steuern, Ansteuern und/oder Betreiben des Sensors 20. Der Sensor 20 und die externen Vorrichtung 16 können über ein Bus-System 15 miteinander kommunizieren.
Die externe Vorrichtung 16 und der Sensor 20 können in einem gemeinsamen Gehäuse oder in voneinander räumlich getrennten Gehäusen untergebracht sein. Die externe Vorrichtung 16 kann ein Computer oder ein Teil eines Computers sein. Der Sensor 20 kann ein Teil eines Computers sein. Beispielsweise können die Sensoranordnung, die externe Vorrichtung 16 und/oder der Sensor 20 in einem Gerät, beispielsweise einem Mobiltelefon, einem Tablet-Computer, einem Handheld-Computer, einem Laptop und/oder einem Bildschirm integriert sein. Die externe Vorrichtung kann beispielsweise ein Prozessor des Geräts sein, in dem der Sensor 20 angeordnet ist. Alternativ dazu kann die externe Vorrichtung 16 ein Teil eines Kraftfahrzeugsoder eines Haushaltsgeräts sein.
Der Sensor 20 weist einen integrierten Schaltkreis 26 mit einer Schnittstelle 28 auf. Der integrierte Schaltkreis 26 weist optional einen in 1 nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler und einen in 1 nicht dargestellten Verstärker auf. Der integrierte Schaltkreis 26 bewirkt einen Gesamtbetriebsstrom 21 in dem Sensor 20. Der Gesamtbetriebsstrom 21 weist zumindest zeitweise einen Betriebsstrom auf oder ist zumindest zeitweise der Betriebsstrom. Der Betriebsstrom kann beispielsweise zum Erfassen und/oder Übertragen von Daten, insbesondere Messergebnissen, oder zum Betreiben einer in 1 nicht dargestellten elektrischen Einheit des Sensors 20 dienen. Die elektrische Einheit kann beispielsweise ein Temperatursensor oder ein Thermoelement zum Steuern oder Regeln einer Temperatur des Sensors 20 sein.
Optional kann der Gesamtbetriebsstrom 21 unabhängig vom Auftreten des Betriebsstroms einen Grundstrom aufweisen. Der Grundstrom kann beispielsweise ein während des Betriebs des Sensors 20 konstanter oder zumindest näherungsweise konstanter Strom sein, beispielsweise ein Strom, der für einen Stand-By-Betrieb des Sensors 20 nötig ist.
Die Schnittstelle 28 ist zur Kommunikation des Sensors 20 mit der bezüglich des Sensors 20 externen Vorrichtung 16 ausgebildet. Die Schnittstelle 28 kann beispielsweise eine i2C-Schnittstelle sein. Die externe Vorrichtung 16 und der Sensor 20 können beispielsweise über ein erstes Kommunikationssignal 17 miteinander kommunizieren.
Der Sensor 20 weist eine Blindstromquelle 18 auf. Die Blindstromquelle 18 dient zum Erzeugen eines Blindstroms 23. Die Blindstromquelle 18 ist mittels der externen Vorrichtung 16 steuerbar oder regelbar, insbesondere mittels eines zweiten Kommunikationssignals 19. Insbesondere kann die externe Vorrichtung 16 der Blindstromquelle 18 einen Wert des Blindstroms 23 vorgeben. Die externe Vorrichtung 16 kommuniziert mittels des Bus-Systems 15 direkt mit der Blindstromquelle 18. Alternativ dazu können die externe Vorrichtung 16 und die Blindstromquelle 18 über die Schnittstelle 28 miteinander kommunizieren.
Bei der Kommunikation des Sensors 20 mit der externen Vorrichtung 16 kann die externe Vorrichtung 16 als Bus-Master des Bus-Systems 15 agieren und überprüfen, welche Slaves, beispielsweise der Sensor 20, mit dem Bus-System 15 verbunden sind. Der Slave, insbesondere der Sensor 20 muss überprüfen, beispielsweise mittels des integrierten Schaltkreises 26, ob er adressiert, insbesondere angesprochen, wird, und, falls ja, sendet er eine Bestätigung zurück an die externe Vorrichtung 16. Diese Vorgänge werden mittels modulierter Ströme in dem integrierten Schaltkreis 26 realisiert, wodurch Energie verbraucht und Wärme erzeugt wird. Zusätzlich müssen Informationen, insbesondere Daten, an den integrierten Schaltkreis 26 und/oder die externe Vorrichtung gesendet werden, beispielsweise falls diese angefordert werden. Gegebenenfalls werden die Informationen, insbesondere die Daten, in Form modulierter Ströme übertragen, wodurch wiederum Energie verbraucht und Wärme erzeugt wird. Bei einigen Übertragungsformen und/oder Übertragungsprotokollen zum Übertragen von Information wird zusätzlich zu einem Datensignal, das die Daten enthält, ein Kommunikations-Taktsignal benötigt und übertragen. Auch das Kommunikations-Taktsignal hat eine dynamische Stromänderung zur Folge, wodurch Energie verbraucht und Wärme erzeugt wird. Alle Ströme, die zur Kommunikation, insbesondere zu Übertragung von Informationen und/oder Daten dienen, können als Betriebsströme bezeichnet werden. Zusätzlich zu den Strömen, die zu der Kommunikation dienen, können noch weitere Ströme in dem Sensor 20 fließen, die für die grundliegende Funktionsweise des Sensors, nämlich das Erfassen von Messwerten und das Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Ausgangssignals, unabdingbar sind. Auch diese Ströme können als Betriebsströme bezeichnet werden. Die Betriebsströme bewirken immer Energieverluste und stellen Wärmequellen dar, welche zwar minimiert, jedoch nicht eliminiert werden können. Somit bilden die Betriebsströme alle zeitlich nicht konstanten Ströme in dem Sensor 20, die für einen herkömmlichen Betrieb des Sensors 20 nötig sind.
Die Wärmequellen sind thermisch in den Sensor 20 eingekoppelt und bewirken eine Erwärmung des Sensors 20. Falls sich die Temperatur des Sensors 20 verändert, dehnen sich Komponenten des Sensors 20 aus oder ziehen sich zusammen, abhängig davon, ob die Temperatur steigt bzw. sinkt. Diese Veränderungen können die Messwerte, die von dem Sensor 20 ermittelt werden sollen, beeinflussen, was sich als elektrisches Signal, insbesondere als Störsignal, in dem Ausgangssignal des Sensors 20 wiederspiegelt. Da dieses elektrische Signal unabhängig von einer der tatsächlich zu erfassenden Messgröße ist, die von dem Sensor 20 erfasst werden soll, wird dadurch ein unerwünschtes elektrisches Signal erzeugt, das in dem Ausgangssignal des Sensors 20 beispielsweise als niederfrequentes Rauschen und/oder Störung enthalten ist. Daher sind der Sensor 20 und insbesondere der integrierte Schaltkreis 26 und die Blindstromquelle 18 so ausgebildet, dass sich die Temperatur des Sensors 20 aufgrund der Betriebsströme besonders wenig und/oder näherungsweise gar nicht ändert.
Die Betriebsströme fließen in Reaktion auf das erste Kommunikationssignal 17, das der integrierte Schaltkreis 26 von der externen Vorrichtung 16 empfängt. Der externen Vorrichtung 16 ist daher bekannt, wann einer der Betriebsströme fließt und welchen Wert dieser Betriebsstrom hat. Während der Zeitdauern, während der die Betriebsströme nicht fließen, steuert der die externe Vorrichtung 16 die Blindstromquelle 18 mittels des zweiten Kommunikationssignals 19 derart an, dass sie den Blindstrom 23 erzeugt, der als Wärmequelle dient und der nicht zu den Betriebsströmen zählt. Insbesondere wird der Blindstrom 23 derart erzeugt, dass die daraus resultierende Wärme der aus den Betriebsströmen resultierenden Wärme entspricht. Somit wird die thermische Energie, die in den Sensor 20 eingebracht wird, während der Zeitdauern, während der die Betriebsströme fließen, und die thermische Energie, die in den Sensor 20 eingebracht wird, während der Zeitdauern, während der die Betriebsströme nicht fließen und der Blindstrom 23 fließt, gleich oder zumindest näherungsweise gleich gehalten. Dies bewirkt einen über die gesamte Betriebsdauer des Sensors 20 gleichbleibenden oder zumindest näherungsweise gleich bleibenden Energie- und damit Wärmeeintrag in den Sensor 20, dessen Temperatur sich daher besonders wenig und/oder näherungsweise gar nicht verändern. Dies bewirkt, dass das unerwünschte, insbesondere nicht durch die zu erfassende Messgröße bedingte, Störsignal, beispielsweise das niederfrequente Rauschen, in dem Ausgangssignal des Sensors 20 besonders gering und/oder näherungsweise eliminiert ist.
Weitere Details bezüglich der Art und Weise, wie die Veränderung der Temperatur des Sensors 20 und damit das Auftreten des Störsignals verhindert werden, werden nachfolgend mit Bezug zu den 5 und 6 näher erläutert.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 20. Der Sensor 20 kann beispielsweise weitgehend dem mit Bezug zu 1 erläuterten Sensor 20 entsprechen. Der Sensor 20 ist ebenfalls mit der externen Vorrichtung 16 gekoppelt, welche jedoch in 2 nicht dargestellt ist. Der Sensor 20 weist ein Sensorelement auf, das zum Erfassen der Messgröße dient. Im Falle eines Drucksensors, Gassensors oder Mikrofons als Sensor 20 kann das Sensorelement beispielsweise ein Mikrosystem (MEMS) 22 sein.
Der integrierte Schaltkreis 26 kommuniziert mittels des ersten Kommunikationssignals 17 mit dem Sensorelement und mittels des zweiten Kommunikationssignals 19 mit der Blindstromquelle 18. Das erste und das zweite Kommunikationssignal 17, 19 können zu den Betriebsströmen gezählt werden. Weitere der Betriebsströme fließen in Reaktion auf das erste Kommunikationssignal 17, das das Sensorelement von dem integrierten Schaltkreis 26 empfängt. Dem integrierten Schaltkreis 26 ist daher bekannt, wann einer der Betriebsströme fließt und welchen Wert dieser Betriebsstrom hat. Während der Zeitdauern, während der die Betriebsströme nicht fließen, steuert der integrierte Schaltkreis 26 die Blindstromquelle 18 derart an, dass sie den Blindstrom 23 erzeugt, der als Wärmequelle dient. Insbesondere wird der Blindstrom 23 derart erzeugt, dass die daraus resultierende Wärme der aus den Betriebsströmen resultierenden Wärme entspricht. Somit wird die thermische Energie, die in den Sensor 20 eingebracht wird, während der Zeitdauern, während der die Betriebsströme fließen, und die thermische Energie, die in den Sensor 20 eingebracht wird, während der Zeitdauern, während der die Betriebsströme nicht fließen und der Blindstrom 23 fließt, gleich oder zumindest näherungsweise gleich gehalten. Dies bewirkt einen über die gesamte Betriebstrauer des Sensors 20 gleichbleibenden oder zumindest näherungsweise gleich bleibenden Energie- und damit Wärmeeintrag in den Sensor 20, dessen Temperatur sich daher besonders wenig und/oder näherungsweise gar nicht verändern. Dies bewirkt, dass das unerwünschte, insbesondere nicht durch die zu erfassende Messgröße bedingte, Störsignal, beispielsweise das niederfrequente Rauschen, in dem Ausgangssignal des Sensors 20 besonders gering und/oder näherungsweise eliminiert ist.
Weitere Details bezüglich der Art und Weise, wie der integrierte Schaltkreis 26 die Veränderung der Temperatur des Sensors 26 und damit das Störsignal verhindert, werden nachfolgend mit Bezug zu den 5 und 6 näher erläutert.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 20. Der Sensor 20 kann beispielsweise weitgehend einem der im Vorhergehenden erläuterten Sensoren 20 entsprechen. Der Sensor 20 weist einen Detektionsschaltkreis 32 auf. Der Detektionsschaltkreis 32 ist mit dem integrierten Schaltkreis 26 und mit der Blindstromquelle 18 elektrisch verbunden. Alternativ dazu kann der Detektionsschaltkreis 32 in den integrierten Schaltkreis 26 integriert sein. Der Detektionsschaltkreis 32 dient dazu, zu überwachen, ob einer der Betriebsströme in dem Sensor 20 fließt oder nicht. Optional kann der Detektionsschaltkreis 32 dazu ausgebildet sein, einen Wert des Betriebsstroms zu ermitteln, wenn dieser fließt. Der Detektionsschaltkreis 32 kann dazu eine Strommessvorrichtung und/oder eine Spannungsmessvorrichtung aufweisen. In anderen Worten dient der Detektionsschaltkreis 32 dazu, die Zeitpunkte bzw. Zeitdauern, zu denen die Betriebsströme fließen, und optional die Werte der Betriebsströme zu ermitteln, wenn diese fließen. Somit müssen der externen Vorrichtung 16 und/oder dem integrierten Schaltkreis 26 weder die Zeitpunkte bzw. die Zeitdauern, zu denen die Betriebsströme fließen, noch die Werte der Betriebsströme im Voraus bekannt sein, da diese dynamisch und/oder individuell von dem Detektionsschaltkreis 32 ermittelt werden.
Ansonsten, insbesondere bezüglich des Erzeugens der Blindströme 23 und des damit verbundenen Minimierens bzw. Eliminierens der Temperaturveränderung des Sensors 20, entspricht der in 3 gezeigte Sensor 20 im Wesentlichen den mit Bezug zu den 1 und 2 erläuterten Sensoren 20 weswegen auf eine nochmalige, insbesondere wiederholte, Darstellung der Funktionsweise des Sensors 20 an dieser Stelle verzichtet wird.
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Sensors 20, der als Mikrofon ausgebildet ist. Das Mikrofon kann auch als miniaturisiertes Mikrofon oder Chip-Mikrofon bezeichnet werden. Das Mikrofon kann in einem Gerät, beispielsweise einem Mobiltelefon, einem Tablet-Computer, einem Handheld-Computer, einem Laptop und/oder einem Bildschirm integriert sein. Das Mikrofon weist ein Mikrosystem (MEMS) 22 als Sensorelement, den integrierten Schaltkreis 26 und die Schnittstelle 28 auf. Der integrierte Schaltkreis 26 ist einerseits mit dem Mikrofon und andererseits mit der Schnittstelle 28 verbunden.
Optional weist das Mikrofon 20 einen Temperatursensor 30 und/oder den Detektionsschaltkreis 32 auf. Gegebenenfalls sind der Temperatursensor 30 und/oder der Detektionsschaltkreis 32 mit dem integrierten Schaltkreis 26 verbunden. Alternativ dazu können der Temperatursensor 30 und/oder der Detektionsschaltkreis 32, sofern vorhanden, in den integrierten Schaltkreis 26 integriert sein. Ferner kann der Temperatursensor 30 alternativ in das Mikrosystem 22 integriert sein. Das Mikrosystem 22 weist eine bewegliche Membran 24 und ein in 4 nicht dargestelltes Kondensatorplättchen auf, das optional als feste Membran ausgebildet sein kann und das der Membran 24 gegenüberliegt. Die Membran 24 und das Kondensatorplättchen bilden einen Kondensator, dessen Kapazität von einem Abstand zwischen der Membran 24 und dem Kondensatorplättchen abhängt. Das Mikrosystem 22 kann als Chip-Package, also als einzelner Chip in einem Gehäuse, ausgebildet sein.
Der integrierte Schaltkreis 26 weist optional einen in 4 nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler, einen in 4 nicht dargestellten Verstärker und die in 4 nicht dargestellte Blindstromquelle 18 auf. Alternativ dazu kann das Mikrosystem 22 den Analog-Digital-Wandler und/oder den Verstärker aufweisen. Die Schnittstelle 28 ist zur Kommunikation des Mikrofons mit der bezüglich des Mikrofons externen Vorrichtung 16 ausgebildet.
Die Membran 24 dient dazu, Schallschwingungen aufzunehmen, welche die Membran 24 in entsprechende Schwingungen versetzen. Insbesondere wird die Membran 24 durch Druckänderungen, beispielsweise aufgrund der Schallschwingungen, ausgelenkt, was eine Abstandsänderung der Membran 24 zu dem Kondensatorplättchen und damit eine Kapazitätsänderung des entsprechenden Kondensators zur Folge hat. Diese Kapazitätsänderung kann von dem integrierten Schaltkreis 26 ausgewertet und als akustisches Signal interpretiert werden. Der integrierte Schaltkreis 26 erfasst somit die Kapazitätsänderung und erzeugt das elektrische Signal korrespondierend zu der Kapazitätsänderung und damit korrespondierend zu den erfassten Schallwellen. Optional kann der integrierte Schaltkreis 26 das elektrische Signal verstärken, modulieren und/oder auf andere Art und Weise verändern. Insbesondere kann mit dem Verstärker das elektrische Signal verstärkt werden. Gegebenenfalls kann der Analog-Digital-Wandler das verstärkte analoge Signal in ein digitales Signal umwandeln. Der integrierte Schaltkreis 26 kann die gegebenenfalls veränderten elektrischen Signale über die Schnittstelle 28 an die bezüglich des Mikrofons externe Vorrichtung 16 weiterleiten.
Der optional angeordnete Temperatursensor 30 kann dazu dienen, die Temperatur des Mikrofons zu erfassen und beim Auswerten und/oder Weiterverarbeiten des elektrischen Signals des Mikrofons zu berücksichtigen, um eine möglichst gute Tonaufnahmequalität bereitstellen zu können.
Der optional angeordnete Detektionsschaltkreis 32 kann dazu dienen, zu überwachen, ob einer der Betriebsströme in dem Mikrofon fließt oder nicht. Optional kann der Detektionsschaltkreis 32 dazu ausgebildet sein, einen Wert des Betriebsstroms zu ermitteln, wenn dieser fließt. Der Detektionsschaltkreis 32 kann eine Strommessvorrichtung und/oder eine Spannungsmessvorrichtung aufweisen.
Bei der Kommunikation des Mikrofons mit der externen Vorrichtung 16 kann die externe Vorrichtung 16 als Bus-Master des Bus-Systems 15 agieren und überprüfen, welche Slaves, beispielsweise das Mikrofon, mit dem Bus-System 15 verbunden sind. Der Slave, insbesondere das Mikrofon muss überprüfen, ob es adressiert, insbesondere angesprochen, wird, und, falls ja, sendet es eine Bestätigung zurück an die externe Vorrichtung 16. Diese Vorgänge werden mittels modulierter Ströme beispielsweise in dem integrierten Schaltkreis 26 realisiert, wodurch Energie verbraucht und Wärme erzeugt wird. Zusätzlich muss, sofern vorhanden, der Temperatursensor 30 Informationen, insbesondere Daten, an den integrierten Schaltkreis 26 und/oder die externe Vorrichtung 16 senden, falls diese angefordert werden. Gegebenenfalls werden die Informationen, insbesondere die Daten, in Form modulierter Ströme übertragen, wodurch wiederum Energie verbraucht und Wärme erzeugt wird. Bei einigen Übertragungsformen und/oder Übertragungsprotokollen zum Übertragen von Information wird zusätzlich zu einem Datensignal, das die Daten enthält, ein Kommunikations-Taktsignal benötigt und übertragen. Auch das Kommunikations-Taktsignal hat eine dynamische Stromänderung zur Folge, wodurch Energie verbraucht und Wärme erzeugt wird. Alle Ströme, die zur Kommunikation, insbesondere zu Übertragung von Informationen und/oder Daten dienen, können als Betriebsströme bezeichnet werden. Zusätzlich zu den Strömen, die zu der Kommunikation dienen, können noch weitere Ströme in dem Mikrofon fließen, die für die grundliegende Funktionsweise des Mikrofons, nämlich das Erfassen von Schallschwingungen und das Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Ausgangssignals, unabdingbar sind. Auch diese Ströme können als Betriebsströme bezeichnet werden. Die Betriebsströme bewirken immer Energieverluste und stellen Wärmequellen dar, welche zwar minimiert, jedoch nicht eliminiert werden können.
Die Wärmequellen sind thermisch mit dem Mikrosystem 22 gekoppelt und bewirken eine Erwärmung des Mikrosystems 22, insbesondere der Membran 24. Falls sich die Temperatur der Membran 24 verändert, dehnt sich diese aus oder zieht sich zusammen, abhängig davon, ob die Temperatur steigt bzw. sinkt. Diese Veränderung der Membran 24 bewirkt eine Kapazitätsänderung, welche von dem integrierten Schaltkreis 26 erfasst wird. Dies kann auch als thermoakustischer Effekt bezeichnet werden. Da diese Kapazitätsänderung unabhängig von einer Schallschwingung ist, die von der Membran 24 aufgenommen werden soll, wird dadurch ein unerwünschtes elektrisches Signal erzeugt, das in dem Ausgangssignal des Mikrofons als niederfrequentes Rauschen und/oder als Ton enthalten ist und bei entsprechender Ausgabe über einen Lautsprecher manchmal, sofern überhaupt hörbar, als Brummen wahrgenommen werden kann. Daher sind das Mikrofon und insbesondere der integrierte Schaltkreis 26 so ausgebildet, dass sich die Temperatur des Mikrofons, insbesondere des Mikrosystems 22, aufgrund der Betriebsströme besonders wenig und/oder näherungsweise gar nicht ändert.
Die Veränderung der Temperatur der Membran 24 und das daraus resultierende niederfrequente Rauschen in dem Ausgangssignal des Mikrofons können besonders gering gehalten werden und/oder näherungsweise eliminiert werden mittels der Blindstromquelle 18 des integrierten Schaltkreises 26. Insbesondere ist der integrierte Schaltkreis 26 dazu ausgebildet, zu ermitteln und/oder zu erfassen, wann die im Vorangehenden erläuterten Betriebsströme fließen und wann diese nicht fließen. Dazu können beispielsweise die für den Stromfluss der Betriebsströme verwendeten Leitungen überwacht werden, beispielsweise mittels Strommessgeräten und/oder Spannungsmessgeräten oder gegebenenfalls mittels des Detektionsschaltkreises 32.
Während der Zeitdauern, während der die Betriebsströme nicht fließen, steuert der integrierte Schaltkreis 26 die Blindstromquelle 18 derart an, dass sie den Blindstrom 23 erzeugt, der als Wärmequelle dient. Insbesondere wird der Blindstrom 23 derart erzeugt, dass die daraus resultierende Wärme der aus den Betriebsströmen resultierenden Wärme entspricht. Somit wird die thermische Energie, die in das Mikrosystem 22 eingebracht wird, während der Zeitdauern, während der die Betriebsströme fließen, und die thermische Energie, die in das Mikrosystem 22 eingebracht wird, während der Zeitdauern, während der die Betriebsströme nicht fließen und der Blindstrom 23 fließt, gleich oder zumindest näherungsweise gleich gehalten. Dies bewirkt einen über die gesamte Betriebstrauer des Mikrofons gleichbleibenden oder zumindest näherungsweise gleich bleibenden Energie- und damit Wärmeeintrag in das Mikrosystem 22 und in die Membran 24, deren Temperaturen sich daher besonders wenig und/oder näherungsweise gar nicht verändern. Dies bewirkt, dass das unerwünschte, insbesondere nicht durch erfasste Schallschwingungen bedingte, niederfrequente Rauschen in dem Ausgangssignal des Mikrofons besonders gering und/oder näherungsweise eliminiert ist.
Weitere Details bezüglich der Art und Weise, wie der integrierte Schaltkreis 26 die Veränderung der Temperatur des Mikrosystems 22 und insbesondere der Membran 24 und damit das niederfrequente Rauschen verhindert, werden nachfolgend mit Bezug zu 5 und mit Bezug zu 6 näher erläutert.
5 zeigt ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Mikrofons, beispielsweise des im Vorhergehenden erläuterten Mikrofons. Aus Gründen der Einfachheit und/oder aus Kostengründen sind alle nachfolgend genannten Transistoren des Mikrofons normal sperrende MOSFETs, wobei den Symbolen in 2 entnommen werden kann, ob diese n-Kanal oder p-Kanal MOSFETs sind. Eine dazu korrespondierende Schaltung kann jedoch auch mit anderen Transistoren realisiert werden.
Eine Versorgungsspannung 50 für den integrierten Schaltkreis 26 ist mit einer Drain eines ersten Transistors 52 verbunden. Eine Source und ein Gate des ersten Transistors 52 sind mit einer Drain eines zweiten Transistors 54 verbunden. Ein Gate des zweiten Transistors 54 ist mit einer Drain und einem Gate eines dritten Transistors 56 verbunden. Eine Source des zweiten Transistors 54 ist mit einer Source des dritten Transistors 56 und mit einem ersten Grundpotential 58 verbunden.
Ein Referenzbauelement 60 weist einen vierten Transistor 62, ein fünften Transistor 64 und ein sechsten Transistor 66 auf. Eine Drain des vierten Transistors 62 ist mit der Versorgungsspannung 50 und der Drain des ersten Transistors 52 verbunden. Ein Gate des vierten Transistors 62 ist mit einem Gate des ersten Transistors 52 verbunden. Eine Source des vierten Transistors 62 ist mit einer Source und mit einem Gate des fünften Transistors 64 verbunden. Eine Source des fünften Transistors 64 ist mit einer Drain des sechsten Transistors 66 verbunden. Ein Gate und eine Source des sechsten Transistors 66 sind mit der Source des zweiten Transistors 54, mit der Source des dritten Transistors 56 und mit dem ersten Grundpotential 58 verbunden. An der Source von Transistor 56 wird der benötigte Arbeitsstrom angelegt.
Ein elektronisches Bauelement 70 ist als Strombank ausgebildet, mittels dessen der benötigte Blindstrom 23 eingestellt werden kann. Optional können noch weitere als die dargestellten Transistoren angeordnet sein. Das elektronische Bauelement 70 weist einen siebten Transistor 72, einen achten Transistor 74 und ein neunten Transistor 76 auf. Ein Drain des siebten Transistors 72 ist mit der Versorgungsspannung 50, der Drain des ersten Transistors 52 und der Drain des vierten Transistors 62 verbunden. Ein Gate des siebten Transistors 72 ist mit der Source des ersten Transistors 52, der Drain des zweiten Transistors 54 und dem Gate des vierten Transistors 62 verbunden. Die Transistoren 74 und 76 sind über einen Schalter zum Drain des siebten Transistors 72 miteinander verbunden.
Eine Drain eines zehnten Transistors 80 ist mit einer Drain des siebten Transistors 72 verbunden. Ein Gate des zehnten Transistors 80 ist mit dem Gate des fünften Transistors 64 und der Source des vierten Transistors 62 verbunden. Eine Drain eines elften Transistors 82 ist mit einer Source des zehnten Transistors 80 verbunden.
Der Detektionsschaltkreis 82 empfängt ein Taktsignal 90, das repräsentativ für ein Fließen des Betriebsstroms ist, und weist eine Diode 92, einen Widerstand 94, ein zweites Grundpotential 96 und einen Kondensator 98 auf. Die Diode 92 ist in Durchlassrichtung mit einer ersten Seite des Widerstands 94, einer ersten Seite des Kondensators 98 und mit einem Gate des elften Transistors 82 verbunden. Eine zweite Seite des Widerstandes 94 ist mit der zweiten Seite des Kondensators 98, mit einer Source des elften Transistors 82 und mit dem zweiten Grundpotential 96 verbunden. Außerdem ist die Source des elften Transistors 82 mit dem zweiten Grundpotential 96 verbunden.
Falls der Betriebsstrom fließt, richtet die Diode 92 das Taktsignal 90 gleich, wodurch sich der Kondensator 98 auflädt. Falls der Betriebsstrom nicht fließt, entlädt sich der Kondensator 98 über den Widerstand 94. Ab einer bestimmten Ladung des Kondensators 98 sperrt der elfte Transistor 82. Ab welcher Ladung der elfte Transistor 82 leitend wird kann mittels des Referenz-Bauelements 60, insbesondere mittels des vierten, fünften und sechsten Transistors 62, 64, 66 eingestellt werden. Dabei wird der Arbeitspunkt des zehnten Transistors 80 mittels des fünften Transistors 64 eingestellt. Im Falle, dass der Kondensator 94 entladen ist, haben der Detektionsschaltkreis 82 und der sechste Transistor 66 die gleiche Gate-Source-Spannung und auch dieselbe Gate-Drain-Spannung. An der Source des fünften Transistors 64 stellt sich eine Spannung ein, die der Summe der Schwellenspannungen des fünften und des sechsten Transistors 64, 66 entspricht. Diese Spannung liegt auch an der Source des zehnten Transistors 80 an. Liegt das Gate des elften Transistors 82 auf einer Spannung von 0V (wie auch bei dem sechsten Transistor 66), kann der Strom durch das elektronische Bauelement 70 durch den zehnten und elften Transistor 80, 82 zu dem Grundpotential, beispielsweise der Erdung, fließen. Steigt die Spannung am Gate des elften Transistors 82 auf ungefähr zweimal die Schwellenspannung oder mehr an, so kann durch den zehnten Transistor 80 kein Strom mehr fließen da dieser sich jetzt im gesperrten Zustand befindet.
Allgemein kann das Ermitteln des Betriebsstroms und das damit verbundene Einstellen des entsprechenden Blindstroms 23 mittels einer Firmware-Lösung und programmierten Werten für die Ströme oder mittels Hinzufügens des Detektionsschaltkreises 32 erfolgen. Der Detektionsschaltkreis kann beispielsweise als Rückkopplungsschleife (engl.: feedback loop) realisiert werden, welche ein Übersprechen (engl.: cross talk) minimiert. Zu diesem Zweck kann eine Frequenzdetektion verwendet werden, da beispielsweise die Werte des Betriebsstroms, der als Kommunikationsstrom über die Schnittstelle 28 fließt, von dessen Frequenz abhängig sind. Beispielsweise ist ein typischer Anwendungsfall der Frequenz eines Kommunikations-Taktsignals bei einer I2C-Schnittstelle 400kHz oder 1MHz. Diese Frequenzen können mittels des Detektionsschaltkreises 32 einfach gefunden werden, beispielsweise indem dieser das Kommunikations-Taktsignal mit einem internen Taktsignal vergleicht.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensors, beispielsweise des im Vorhergehenden erläuterten Sensors 20, beispielsweise des Mikrofons. Das Verfahren kann beispielsweise in Form eines Computerprogramms mit entsprechenden computerlesbaren Instruktionen ausgebildet sein und auf einem mobilen Datenträger, beispielsweise einem Memory-Stick, einer externen Festplatte, einem Flash-Speicher oder einer CD-ROM, und/oder auf einer Speichereinheit des integrierten Schaltkreises 26 gespeichert sein. Wenn das Computerprogramm gestartet wird, bewirkt es, dass der Computer, beispielsweise die externe Vorrichtung 16, und/oder der integrierte Schaltkreis 26 die entsprechenden computerlesbaren Instruktionen und insbesondere die nachfolgenden beschriebenen Schritte ausführen. Alternativ dazu kann das Verfahren in Form eines hartverdrahteten Logikschaltkreises ausgebildet sein und/oder in den integrierten Schaltkreis 26 integriert sein.
In einem Schritt S2 wird überwacht, ob ein Betriebsstrom, insbesondere einer der im Vorhergehenden erläuterten Betriebsströme, in dem Sensor 20 fließt. Beispielsweise kann überwacht werden, ob der Sensor 20 mittels des Betriebsstroms über die Schnittstelle 28 mit der externen Vorrichtung 16 kommuniziert, und/oder es kann überwacht werden, ob mittels des Betriebsstroms eine Kommunikation innerhalb des Sensors 20 stattfindet, insbesondere zwischen den einzelnen Komponenten des Sensors 20, beispielsweise zwischen dem integrierten Schaltkreis 26 und der Schnittstelle 28 und/oder zwischen dem integrierten Schaltkreis 26 und dem Temperatursensor 30. Zum Überwachen, ob der Betriebsstrom fließt, können beispielsweise der Betriebsstrom selbst, die den Betriebsstrom verursachende Spannung und/oder die von dem Betriebsstrom verursachte Spannung detektiert oder erfasst werden.
In einem Schritt S4 wird entweder erkannt, dass der Betriebsstrom fließt, oder es wird erkannt, dass kein Betriebsstrom fließt. Falls der Betriebsstrom nicht fließt, wird die Bearbeitung in einem Schritt S6 fortgesetzt. Falls der Betriebsstrom, also mindestens einer der Betriebsströme, fließt, so wird die Bearbeitung in einem Schritt S8 fortgesetzt.
In dem Schritt S6 wird die Blindstromquelle 18 aktiviert. Insbesondere wird die Blindstromquelle 18 derart aktiviert, dass der mittels ihr erzeugte Blindstrom 23 eine Wärme erzeugt, die der ansonsten mittels des Betriebsstroms bzw. mittels der Betriebsströme erzeugten Wärme entspricht. Beispielsweise wird der Blindstrom 23 derart erzeugt, dass ein Wert des Blindstroms 23 gleich oder zumindest näherungsweise gleich dem Wert des Betriebsstroms ist. Der Wert des Betriebsstroms ist ein Wert, der repräsentativ für eine Größe des Betriebsstroms ist. Der Wert des Betriebsstroms kann beispielsweise durch eine Stromstärke, einen Stromfluss und/oder eine Stromfrequenz des Betriebsstroms charakterisiert sein oder die Stromstärke, der Stromfluss oder die Stromfrequenz des Betriebsstroms selbst sein. Alternativ dazu kann der Wert des Betriebsstroms ein Wert einer Spannung sein, die den Betriebsstrom verursacht oder die von dem Betriebsstrom verursacht wird. Der Wert der Spannung kann beispielsweise eine maximale Amplitude eines Spannungsverlaufs der Spannung oder eine Frequenz der Spannung sein. Beispielsweise weisen der Betriebsstrom und der Blindstrom 23 die gleiche maximale Stromstärke und/oder die gleiche Frequenz auf. Für den Wert des Blindstroms 23 wird vorzugsweise die gleiche physikalische Größe verwendet wie für den Wert des Betriebsstroms, damit die entsprechenden Zahlenwerte einfach miteinander verglichen werden können.
Der Wert des Blindstroms 23, also der Zahlenwert des Blindstroms 23, kann beispielsweise fest vorgegeben, insbesondere unveränderlich, auf der Speichereinheit des integrierten Schaltkreises 26 gespeichert sein oder in Form einer hartverdrahteten Logik des integrierten Schaltkreises 26 festgelegt sein. In diesen Fällen kann der Wert des Blindstroms 23 beispielsweise während oder vor der Herstellung des Sensors 20 empirisch ermittelt werden. Alternativ dazu kann der Wert des Blindstroms 23 während des Betriebs des Sensors 20 anhand des Betriebsstroms bzw. der Betriebsströme einmal, zweimal oder mehrfach, insbesondere regelmäßig neu, ermittelt und/oder an den Wert des Betriebsstrom bzw. der Betriebsströme angepasst werden.
Die Bearbeitung wird in dem Schritt S2 fortgesetzt, wobei die Blindstromquelle 18 so lange aktiv bleibt, bis bei einem erneuten Abarbeiten des Schritt S4 erkannt wird, dass mindestens einer der Betriebsströme fließt.
In dem Schritt S8 wird die Blindstromquelle 18 deaktiviert, insbesondere abgeschaltet oder zumindest in einen Ruhemodus versetzt, in dem sie keinen Blindstrom 23 erzeugt. Zu der Erwärmung des Sensors 20, beispielsweise des Mikrosystems 22 und insbesondere der Membran 24, kann der Blindstrom 23 nun nicht mehr beitragen. Jedoch setzt der erkannte Betriebsstrom die Erwärmung des Sensors 20 bzw. des Mikrofons, des Mikrosystems 22 und insbesondere der Membran 24 so fort, dass sich die Temperatur des Sensors 20 bzw. des Mikrofons, des Mikrosystems 22 und insbesondere der Membran 24 nicht oder zumindest näherungsweise nicht verändert, also weder erhöht noch verringert.
In dem optionalen Schritt S10 kann der Wert des Betriebsstroms ermittelt werden, sofern dieser nicht fest vorgegeben und/oder unveränderlich ist. Beispielsweise kann der Betriebsstrom mittels des Detektionsschaltkreises 32 ermittelt werden.
Falls der Schritt S10 abgearbeitet wird, so kann nachfolgend in einem optionalen Schritt S12 der Wert des Blindstroms 23 an den Wert des Betriebsstroms angepasst werden. Beispielsweise kann der Wert des Blindstroms 23 auf einer Speichereinheit des integrierten Schaltkreises 26 abgespeichert sein. Falls der Schritt S12 abgearbeitet wird, so kann der an den Wert des Betriebsstroms angepasste Wert des Blindstroms 23 den bereits gespeicherten Wert des Blindstroms 23 auf der Speichereinheit ersetzen. Nachfolgend kann dann der angepasste und neu gespeicherte Wert des Blindstroms 23 beim Erzeugen des Blindstroms 23 verwendet werden.
Nachfolgend kann die Abarbeitung in dem Schritt S2 fortgesetzt werden. Das Verfahren kann während des Betriebs des Sensors 20 permanent abgearbeitet werden. Alternativ dazu kann die dem Verfahren inhärente Funktion des Sensors 20, nämlich die Unterdrückung des niederfrequenten Rauschens, während des Betriebs des Sensors 20 optional ab- oder zugeschaltet werden, beispielsweise mittels der externen Vorrichtung 16.
7 zeigt Beispiele von Diagrammen zum Erläutern eines Funktionsprinzips des Verfahrens zum Betreiben eines Sensors 20, beispielsweise des Mikrofons gemäß 5.
Das unterste in 7 gezeigte Diagramm zeigt ein Kommunikations-Taktsignal, das während einer Kommunikation in dem Sensor 20 anliegt. Das Kommunikations-Taktsignal stellt einen der Betriebsströme dar.
Das mittlere in 7 gezeigte Diagramm zeigt einen Verlauf einer erfassten Spannung des Kommunikations-Taktsignals nach einer Gleichrichtung. Diese Spannung bewirkt, dass der Blindstrom 23 nun nicht mehr von dem elektronischen Bauelement 70 zu dem Grundpotential, also auf Masse, fließen kann.
Das obere in 7 gezeigte Diagramm zeigt einen Verlauf des Blindstroms 23 als Spannungskurve in Abhängigkeit der Zeit.
Aus 7 geht hervor, dass bis zum Zeitpunkt 1,25 ms kein Betriebsstrom fließt und dann ein Betriebsstrom fließt, der ein periodisches Rechtecksignal erzeugt. Der Betriebsstrom spiegelt sich in dem Verlauf der erfassten Spannung wieder, wobei bei einem signifikanten Anstieg des Verlaufs der Spannung der Blindstrom 23 abgeschaltet wird.
8 zeigt ein Beispiel eines Diagramms zum Erläutern eines Effekts des Verfahrens zum Betreiben eines Mikrofons gemäß 5. An der Y-Achse des Diagramms sind Werte einer Änderung des Gesamtstroms, der in dem Sensor 20 fließt, angetragen. Der Gesamtstrom besteht aus dem Gesamtbetriebsstrom 21, also dem Betriebsstrom und gegebenenfalls dem Grundstrom, und gegebenenfalls dem Blindstrom 23. Die Werte der X-Achse sind repräsentativ für verschiedene Messungen, bei denen diverse Parameter, wie beispielsweise die Temperatur, Versorgungsspannung, die Kommunikationsgeschwindigkeit und andere Technologie Eckpunkte variiert wurden. In dem Diagramm repräsentiert die gepunktete Linie die Messungen ohne Blindstrom 23 und die durchgezogenen Lene Linie repräsentiert die Messungen mit Blindstrom 23. Das Diagramm zeigt und verifiziert die Wirkungsweise der im Vorhergehenden erläuterten Verfahren und Vorrichtungen. Insbesondere zeigt das Diagramm, dass die Stromänderungen des Gesamtstroms über die Zeit reduziert wurden. Diese Reduktion bewirkt eine Verringerung des Störsignals im Ausgangssignal des Sensors 20 und im Falle des Mikrofons, dass der akustische Störton unter die Hörschwelle verringert wird.
9 zeigt Beispiele von Stromverläufen, die beim Durchführen des Verfahrens zum Betreiben eines Sensors auftreten, wobei das Verfahren beispielsweise das im Vorhergehenden erläuterte Verfahren ist und/oder der Sensor einer der im Vorhergehenden erläuterten Sensoren 20 ist. Bei den in 9 gezeigten Diagrammen ist an den X-Achsen jeweils die Zeit T angetragen und an dem Y-Achsen sind jeweils Stromwerte angetragen.
Das oberste Diagramm zeigt einen ersten Stromverlauf 102 des Gesamtbetriebsstroms 21. Der erste Stromverlauf 102 setzt sich aus den Werten IG des Grundstroms und den Werten IO des Betriebsstroms zusammen. Beispielsweise fließt vor dem Zeitpunkt T1 lediglich der Grundstrom und zwischen dem Zeitpunkt T1 und T2 fließen der Grundstrom und der Betriebsstrom.
Das mittlere Diagramm zeigt einen zweiten Stromverlauf 104 des Blindstroms 23. Der zweite Stromverlauf 104 ist davon abhängig, ob der Blindstrom 23 fließt oder nicht. Insbesondere fließt der Blindstrom 23 vor dem Zeitpunkt T1 und fließt zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 nicht. Allgemein fließt der Blindstrom 23 immer dann, wenn der Betriebsstrom nicht fließt. Der Blindstrom 23 hat, wenn er fließt, den Wert IB des Blindstroms 23, der dem Wert IO des Betriebsstroms entspricht oder zumindest näherungsweise entspricht.
Das untere Diagramm zeigt einen dritten Stromverlauf 106 des Gesamtstroms in dem Sensor 20. Aus dem unteren Diagramm geht hervor, dass der Gesamtstrom in dem Sensor 20, der sich aus dem Gesamtbetriebsstrom, also dem Betriebsstrom und gegebenenfalls dem Grundstrom, und dem Blindstrom 23 zusammensetzt, konstant oder zumindest näherungsweise konstant ist.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann der Sensor 20 mehr oder weniger als die gezeigten elektronischen Komponenten haben. Ferner kann das Verfahren zum Betreiben des Sensors 20 mehr oder weniger als die gezeigten Schritte haben.
Bezugszeichenliste

externe Vorrichtung	16
erstes Kommunikationssignal	17
Blindstromquelle	18
zweites Kommunikationssignal	19
Sensor	20
Gesamtbetriebsstrom	21
Mikrosystem	22
Blindstrom	23
Membran	24
drittes Kommunikationssignal	25
integrierter Schaltkreis	26
Schnittstelle	28
Temperatursensor	30
Detektionsschaltkreis	32
Versorgungs spannung	50
erster Transistor	52
zweiter Transistor	54
dritter Transistor	56
erstes Grundpotential	58
Referenzbauelement	60
vierter Transistor	62
fünfter Transistor	64
sechster Transistor	66
elektronisches Bauelement	70
siebter Transistor	72
achter Transistor	74
neunter Transistor	76
zehnter Transistor	80
elfter Transistor	82
Taktsignal	90
Diode	92
Widerstand	94
zweites Grundpotenzial	96
Kondensator	98
erster Stromverlauf	102
zweiter Stromverlauf	104
dritter Stromverlauf	106
Wert Grundstrom	IG
Wert Betriebsstrom	IO
Wert Blindstrom	IB
Durchschnittsstromwert	IA
Zeit	T

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Sensors (20), bei dem: in dem Sensor (20) zeitweise ein Betriebsstrom erzeugt wird, in dem Sensor (20) ein Blindstrom (23) erzeugt wird, wenn der Betriebsstrom nicht erzeugt wird, und der Blindstrom (23) nicht erzeugt wird, wenn der Betriebsstrom erzeugt wird, wobei ein Wert (IB) des Blindstroms (23) gleich oder näherungsweise gleich einem Wert (IO) des Betriebsstroms ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor dem Erzeugen des Blindstroms (23) überprüft wird, ob der Betriebsstrom erzeugt wird oder nicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels des Betriebsstroms Informationen übertragen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Betriebsstrom über eine Schnittstelle (28) des Sensors (20) fließt und wobei die Schnittstelle (28) zur Kommunikation mit einer bezüglich des Sensors (20) externen Vorrichtung (16) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Sensor (20) eine elektronische Einheit aufweist und wobei der Betriebsstrom zum Übertragen von Informationen der elektronischen Einheit dient.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, wobei der Betriebsstrom zum Übertragen von Informationen von der elektronischen Einheit zu der externen Vorrichtung (16) dient.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Information zwischen der elektronischen Einheit und der externen Vorrichtung (16) über einen integrierten Schaltkreis (26) ausgetauscht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die elektronische Einheit ein Temperatursensor (30) zum Erfassen einer Temperatur in dem Sensor (20) ist und wobei die Information repräsentativ für die Temperatur ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wert (IB) des Blindstroms (23)fest vorgegeben ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Wert (IO) des Betriebsstroms erfasst wird und wobei der Wert (IB) des Blindstroms (23)an den erfassten Wert des Betriebsstroms angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sensor (20) als Mikrofon ausgebildet ist, das aufweist ein Mikrosystem (22) mit einer Membran (24) zum Erfassen von Schallwellen und einen integrierten Schaltkreis (26), der mit dem Mikrosystem (22) elektrisch verbunden ist und der dazu ausgebildet ist, ein Signal, das repräsentativ für eine Bewegung der Membran (24) ist, von dem Mikrosystem (22) zu empfangen.
Sensor (20) aufweisend: einen integrierten Schaltkreis (26), der dazu ausgebildet ist, einen Betriebsstrom in dem Sensor (20) zu erzeugen, und eine Blindstromquelle (18), die mit dem integrierten Schaltkreis (26) elektrisch verbunden ist und die dazu ausgebildet ist, einen Blindstrom (23) zu erzeugen, wenn der Betriebsstrom nicht erzeugt wird, wobei ein Wert (IB) des Blindstroms (23) gleich oder näherungsweise gleich einem Wert (IO) des Betriebsstroms ist.
Sensor (20) nach Anspruch 12, mit einem Detektionsschaltkreis (32), der mit dem integrierten Schaltkreis (26) verbunden ist und der dazu ausgebildet ist, zu erkennen, ob der Betriebsstrom fließt oder nicht.
Sensor (20) nach Anspruch 13, wobei der Detektionsschaltkreis (32) dazu ausgebildet ist, den Wert (IO) des Betriebsstroms zu erfassen, und wobei der integrierte Schaltkreis (26) dazu ausgebildet ist, die Blindstromquelle (18) so anzusteuern, dass sie den Wert (IB) des Blindstroms (23) an den erfassten Wert (IO) des Betriebsstroms anpasst.
Sensor (20) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, der eine Schnittstelle (28) aufweist, die zur Kommunikation mit einer externen Vorrichtung (16) ausgebildet ist.
Sensor (20) nach Anspruch 15, bei dem der integrierte Schaltkreis (26) den Betriebsstrom in Reaktion auf ein erstes Kommunikationssignal (17) der externen Vorrichtung (16) erzeugt und die Blindstromquelle (18) den Blindstrom (23) in Reaktion auf ein zweites Kommunikationssignal (19) der externen Vorrichtung (16) erzeugt.
Sensor (20) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, der eine elektronische Einheit aufweist, wobei der Betriebsstrom zum Übertragen von Informationen der elektronischen Einheit dient.
Sensor (20) nach Anspruch 17, wobei die elektronische Einheit ein Temperatursensor (30) zum Erfassen einer Temperatur in dem Sensor (20) ist und wobei die Information repräsentativ für die Temperatur ist.
Sensor (20) nach einem der Ansprüche 12 bis 18, mit einer Speichereinheit, auf der der Wert (IB) des Blindstroms (23) als Festwert gespeichert ist.
Sensor (20) nach einem der Ansprüche 12 bis 19, der als Mikrofon ausgebildet ist und der ein Mikrosystem (22) mit einer Membran (24) zum Erfassen von Schallwellen aufweist, wobei der integrierte Schaltkreis (26) mit dem Mikrosystem (22) elektrisch verbunden ist und dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal, das repräsentativ für eine Bewegung der Membran (24) ist, von dem Mikrosystem (22) zu empfangen.