DE102017222656A1 - SENSOR AND SENSOR SYSTEM - Google Patents

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DE102017222656A1 DE102017222656.0A DE102017222656A DE102017222656A1 DE 102017222656 A1 DE102017222656 A1 DE 102017222656A1 DE 102017222656 A DE102017222656 A DE 102017222656A DE 102017222656 A1 DE102017222656 A1 DE 102017222656A1
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Roland Hilser
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (10) mit einem Sensorelement (12), das ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu schwingen, wobei aus den Schwingungen ein Sensorsignal abgeleitet werden kann, und mindestens einem Resonator (14), der ausgebildet ist, bei einer entsprechenden externen Anregung des Sensors mit mindestens einer Resonatorfrequenz zu schwingen, die an eine der vorgegebenen Schwingungsfrequenzen des Sensorelements oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst ist..The invention relates to a sensor (10) having a sensor element (12) which is designed to vibrate in an operating state of the sensor with at least one predetermined oscillation frequency, wherein a sensor signal can be derived from the oscillations, and at least one resonator (14), which is designed to oscillate with a corresponding external excitation of the sensor with at least one resonator frequency which is adapted to one of the predetermined oscillation frequencies of the sensor element or to a further frequency of the sensor element.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor und ein Sensorsystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen, die insbesondere zum Einsatz in der Automobiltechnik vorgesehen sind, und zwar vor allem in Fahrdynamik-Regelsystemen.The invention relates to a sensor and a sensor system according to the independent claims, which are intended in particular for use in automotive technology, especially in vehicle dynamics control systems.

Regelsysteme zur Sicherstellung eines stabilen fahrdynamischen Zustands und zur Erfassung des Zustands von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen benötigen für einen zuverlässigen Betrieb exakte und verlässliche Daten insbesondere der Drehrate und Beschleunigung eines Fahrzeugs. Zur Vermeidung von fehlerhaftem Systemverhalten der Regelsysteme sind die zum Erfassen der Drehrate und Beschleunigung eingesetzten Sensoren üblicherweise mit umfassenden Überwachungsmaßnahmen ausgestattet, die vor allem für eine Erkennung Sensor-interner Defekte optimiert sind. Ein erkannter Fehlerzustand eines Sensors soll den Sensorsignalnutzern ausreichend schnell weitergeleitet werden, damit unerwünschte Regeleingriffe aufgrund von Sensorfehlern vermieden werden können.Control systems for ensuring a stable driving dynamic condition and for detecting the condition of safety systems in vehicles require accurate and reliable data, in particular the rate of rotation and acceleration of a vehicle, for reliable operation. To avoid erroneous system behavior of the control systems, the sensors used to detect the rate of rotation and acceleration are usually equipped with comprehensive monitoring measures, which are optimized especially for detecting sensor-internal defects. A detected error state of a sensor is to be forwarded to the sensor signal users sufficiently quickly so that undesired control interventions due to sensor errors can be avoided.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 249 371 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Erkennen von Überrollvorgängen bei einem Kraftfahrzeug bekannt, bei dem Translationsbeschleunigungen des Fahrzeugs bei der Auswertung eines Drehratensensorsignals berücksichtigt werden, um zu vermeiden, dass Störungen in der Funktionsweise des Drehratensensors, die durch extreme Translationsbeschleunigungen verursacht worden sind, zum fälschlichen Auslösen von Rückhaltemitteln für einen Überrollvorgang führen.From the European patent application EP 1 249 371 A1 For example, a method for detecting rollover events in a motor vehicle is known, in which translational accelerations of the vehicle are taken into account in the evaluation of a rotation rate sensor signal in order to avoid malfunctions in the operation of the rotation rate sensor, which have been caused by extreme translational accelerations, for the false triggering of Restraining means for a rollover process lead.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2006 031 730 A1 betrifft ein Verfahren zur Fehlerdiagnose und -korrektur eines Sensors eines sicherheitskritischen Systems eines Fahrzeugs, bei dem zur Fehlerdiagnose der Sensor auf eine spezifizierte Funktionsweise geprüft wird, indem zumindest Teile der Sensorspezifikation überprüft werden, und ein Fehlerdiagnosesignal als Ergebnis der Fehlerdiagnose erzeugt wird, und das Signal des Sensors mit einer Ersatzwertstrategie korrigiert wird, falls das Fehlerdiagnosesignal einen Fehler des Sensors signalisiert.The German patent application DE 10 2006 031 730 A1 relates to a method for fault diagnosis and correction of a sensor of a safety-critical system of a vehicle, in which, for fault diagnosis, the sensor is tested for a specified mode of operation by checking at least parts of the sensor specification and generating a fault diagnosis signal as a result of fault diagnosis, and the signal the sensor is corrected with a substitute value strategy, if the error diagnostic signal indicates a fault of the sensor.

Die deutsche Patentschrift DE 10 2007 037 298 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zum Überprüfen eines Sensorsignals. Hierbei werden zum Überprüfen eines ersten Sensorsignals eines ersten Sensorclusters mit zumindest einem ersten Sensor durch das erste Sensorcluster eine oder mehrere physikalische Messgrößen in einem ersten Messbereich erfasst. Durch die Auswertung eines zweiten Sensorsignals eines zweiten Sensorclusters mit zumindest einem zweiten Sensor wird ermittelt, ob ein vorgegebener Betriebszustand vorliegt, wobei durch das zweite Sensorcluster eine oder mehrere der physikalischen Messgrößen in einem von dem ersten Messbereich unterschiedlichen zweiten Messbereich erfasst werden. Bei Vorliegen eines der vorgegebenen Betriebszustände wird dann auf ein Vorliegen oder Nicht-Vorliegen eines möglichen äußeren Störeinflusses auf das erste Sensorsignal erkannt.The German patent DE 10 2007 037 298 B1 describes a method and an arrangement for checking a sensor signal. In this case, for checking a first sensor signal of a first sensor cluster with at least one first sensor, one or more physical measured variables in a first measuring range are detected by the first sensor cluster. By evaluating a second sensor signal of a second sensor cluster with at least one second sensor, it is determined whether a predetermined operating state exists, wherein one or more of the physical measured variables are detected in a second measuring range different from the first measuring range by the second sensor cluster. In the presence of one of the predetermined operating states is then detected on a presence or absence of a possible external interference on the first sensor signal.

Die deutsche Patentschrift DE 10 2007 046 982 B3 offenbart eine Einrichtung zur Erfassung einer Unfallsituation, insbesondere einer Kollision eines Fahrzeugs mit einem Hindernis und/oder einem Überrollvorgang, mit einer Körperschallempfangseinheit und mit einer Auswerteeinheit, wobei die Körperschallempfangseinheit so in dem Fahrzeug angeordnet ist, dass der von einer Deformation einer Karosserie oder von Karosserieteilen des Fahrzeugs erzeugte Schall und/oder die von einer Deformation erzeugten Schwingungen der Karosserieteile zu der Körperschallempfangseinheit übertragen werden, wobei die Auswerteeinheit den erfassten Schall und/oder die erfassten Schwingungen auswertet, um eine Unfallsituation des Fahrzeugs festzustellen, wobei die Auswerteeinheit den erfassten Schall und/oder die erfassten Schwingungen bei der Auswertung prüft, ob der erfasste Schall und/oder die erfassten Schwingungen einer bestimmten Signalform entspricht bzw. entsprechen, um als beeinflussende Signalinformation bewertet und/oder berücksichtigt zu werden.The German patent DE 10 2007 046 982 B3 discloses a device for detecting an accident situation, in particular a collision of a vehicle with an obstacle and / or a rollover process, with a structure-borne sound receiving unit and with an evaluation unit, wherein the structure-borne sound receiving unit is arranged in the vehicle, that of a deformation of a body or of body parts the sound produced by the vehicle and / or the vibrations of the body parts generated by a deformation are transmitted to the structure-borne sound receiving unit, wherein the evaluation unit evaluates the detected sound and / or the detected vibrations to determine an accident situation of the vehicle, wherein the evaluation unit detects the detected sound and / or or the detected vibrations in the evaluation checks whether the detected sound and / or the detected vibrations of a particular waveform corresponds or correspond to be evaluated and / or considered as influencing signal information ,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen verbesserten Sensor und ein verbessertes Sensorsystem vorzuschlagen.The object of the present invention is now to propose an improved sensor and an improved sensor system.

Es hat sich gezeigt, dass externe Einflüsse auf einen Sensor dazu führen können, dass ein vom Sensor erzeugtes Signal häufig nur temporär, also zeitlich begrenzt, aber nicht dauerhaft gestört oder fehlerhaft ist, und daher kein eigentlicher Defekt des Sensors vorliegt. Für den Betrieb des Sensors kann die Erkennung solcher externen Einflüsse von Vorteil sein, da dies beispielsweise zum temporären Deaktivieren einer Nutzung des gestörten oder fehlerhaften Sensorsignals genutzt werden kann. Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegender Gedanke besteht daher darin, derartige externe Einflüsse auf einen Sensor, welche Störungen oder Fehler im Sensorausgangssignal bewirken können, dadurch zu erkennen, dass zusätzlich zu mindestens einem Sensorelement des Sensors mindestens ein Resonator vorgesehen ist, der bei entsprechender externer Anregung mit mindestens einer Resonatorfrequenz schwingen kann. Die mindestens eine Resonatorfrequenz ist hierbei an eine von mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz des mindestens einen Sensorelements oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst. Durch den Resonator ist es möglich, einen externen Einfluss zu detektieren, welcher Schwingungen in einem Bereich durch Anregung des mindestens einen Resonators erzeugt, welche im Bereich der mindestens einen vorgegebenen Schwingungsfrequenz liegen und daher den ordnungsgemäßen Betrieb des mindestens einen Sensorelements beeinträchtigen können. Ein derartiger Sensor kann beispielsweise in Regelsystemen zur Sicherstellung eines stabilen fahrdynamischen Zustands und zur Erfassung des Zustands von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen eingesetzt werden. Wird ein externer Einfluss auf den Sensor erkannt, welcher zu einer Störung des Betriebszustands des Sensors und zu einem fehlerhaften Sensorsignal führen kann, kann beispielsweise eine Sensorsignalverarbeitung insbesondere temporär ausgesetzt werden, so dass kein fehlerhaftes Sensorsignal in einem Regelsystem, in dem der Sensor eingesetzt wird, verarbeitet wird. Insgesamt können dadurch ein Sensor und ein Sensorsystem mit einer verbesserten Robustheit gegenüber externen Einflüssen geschaffen werden. Unter einer Resonatorfrequenz wird hierin eine Frequenz verstanden, bei welcher ein Resonator bei entsprechender externer Anregung schwingt. Es kann sich hierbei um eine Resonanzfrequenz eines Schwingungselements eines Resonators handeln.It has been shown that external influences on a sensor can lead to a signal generated by the sensor often being only temporarily, ie limited in time, but not permanently disturbed or faulty, and therefore there is no actual defect of the sensor. For the operation of the sensor, the detection of such external influences may be advantageous since this can be used, for example, for the temporary deactivation of a use of the disturbed or faulty sensor signal. An idea on which the present invention is based is therefore to recognize such external influences on a sensor, which can cause disturbances or errors in the sensor output signal, by providing at least one resonator in addition to at least one sensor element of the sensor, which with appropriate external excitation can vibrate at least one resonator frequency. The at least one resonator frequency is in this case adapted to one of at least one predetermined oscillation frequency of the at least one sensor element or to a further frequency of the sensor element. By the resonator, it is possible to detect an external influence, which generates vibrations in a range by excitation of the at least one resonator, which are in the range of at least one predetermined oscillation frequency and therefore can affect the proper operation of the at least one sensor element. Such a sensor can be used, for example, in control systems to ensure a stable driving dynamic state and to detect the state of safety systems in vehicles. If an external influence on the sensor is detected, which can lead to a disturbance of the operating state of the sensor and to a faulty sensor signal, sensor signal processing, for example, can be temporarily suspended, so that no faulty sensor signal is used in a control system in which the sensor is used. is processed. Overall, this can create a sensor and a sensor system with improved robustness to external influences. A resonator frequency is understood here to mean a frequency at which a resonator oscillates with a corresponding external excitation. This may be a resonance frequency of a vibration element of a resonator.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Sensor vorgesehen, der folgendes aufweist: ein Sensorelement, das ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu schwingen, und aus dessen Schwingungen ein Sensorsignal abgeleitet wird, und mindestens einen Resonator, der ausgebildet ist, in dem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer Resonatorfrequenz zu schwingen, die an eine der mindestens einen vorgegebenen Schwingungsfrequenz des Sensorelements und/oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst ist.According to one embodiment of the invention, a sensor is provided which comprises a sensor element which is designed to oscillate in an operating state of the sensor with at least one predetermined oscillation frequency and from whose oscillations a sensor signal is derived, and at least one resonator which is formed is to oscillate in the operating state of the sensor with at least one resonator frequency, which is adapted to one of the at least one predetermined oscillation frequency of the sensor element and / or to a further frequency of the sensor element.

Es können Detektionsmittel vorgesehen sein, die ausgebildet sind, den mindestens einen Resonator zu überwachen und Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu detektieren. Insbesondere können die Detektionsmittel ausgebildet sein, mindestens ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitung mittels kapazitiver, piezoelektrischer und/oder piezoresistiver Erfassung der Schwingungen des mindestens einen Resonators zu erzeugen.Detection means may be provided which are designed to monitor the at least one resonator and to detect oscillations of the resonator in the region of the at least one resonator frequency. In particular, the detection means may be configured to generate at least one electrical signal for electronic processing by means of capacitive, piezoelectric and / or piezoresistive detection of the oscillations of the at least one resonator.

Es kann eine Auswerteschaltung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, detektierte Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu verarbeiten und davon abhängig ein Indikatorsignal zu erzeugen. Die Auswerteschaltung kann insbesondere ausgebildet sein, aus detektierten Schwingungen einen Parameter abzuleiten und den abgeleiteten Parameter mit mindestens einem Schwellwert zu vergleichen und das Indikatorsignal zu erzeugen, wenn die detektierte Abweichung einen oder mehrere Schwellwerte überschreitet. Die Auswerteschaltung kann zudem ausgebildet sein, den mindestens einen Schwellwert anhand eines Resonanzverhaltens des Sensorelements zu kalibrieren, indem der mindestens eine Schwellwert derart festgelegt wird, dass eine externe Anregung des Sensors, welche eine Schwingung des Sensorelements im Bereich der mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz verursacht, eine Schwellwertüberschreitung verursacht.An evaluation circuit may be provided which is designed to process detected oscillations of the resonator in the region of the at least one resonator frequency and to generate an indicator signal as a function thereof. The evaluation circuit may in particular be designed to derive a parameter from detected oscillations and to compare the derived parameter with at least one threshold value and to generate the indicator signal if the detected deviation exceeds one or more threshold values. The evaluation circuit can also be designed to calibrate the at least one threshold based on a resonance behavior of the sensor element by setting the at least one threshold such that an external excitation of the sensor, which causes a vibration of the sensor element in the range of at least one predetermined oscillation frequency Threshold exceeded.

Das Sensorelement kann ein mikromechanischer Drehratensensor mit einer ersten vorgegebenen Schwingungsfrequenz und einer zweiten vorgegebenen Schwingungsfrequenz sein, wobei die erste und die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz unterschiedlich sind. Insbesondere kann der Sensor einen zusätzlichen ersten und einen zweiten mikromechanischen Resonator aufweisen, wobei die Resonatorfrequenz des ersten mikromechanischen Resonators an die erste vorgegebene Schwingungsfrequenz und die Resonatorfrequenz des zweiten mikromechanischen Resonators an die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz angepasst ist.The sensor element may be a micromechanical rotation rate sensor having a first predetermined oscillation frequency and a second predetermined oscillation frequency, wherein the first and second predetermined oscillation frequencies are different. In particular, the sensor may have an additional first and a second micromechanical resonator, wherein the resonator frequency of the first micromechanical resonator is adapted to the first predetermined oscillation frequency and the resonator frequency of the second micromechanical resonator to the second predetermined oscillation frequency.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Sensorsystem vorgesehen, das folgendes aufweist: mindestens einen erfindungsgemäßen Sensor wie hierin beschrieben und eine Sensorsignalverarbeitung, die ausgebildet ist, das Sensorsignal des mindestens einen Sensors abhängig von der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators zu verarbeiten. Insbesondere kann die Sensorsignalverarbeitung ausgebildet sein, eine Verarbeitung des Sensorsignals des mindestens einen Sensors auszusetzen, wenn das Messsignal bei der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators eine Schwingung bei der mindestens einen vorgegebenen Schwingungsfrequenz des Sensorelements signalisiert.According to a further embodiment of the invention, a sensor system is provided which has at least one sensor according to the invention as described herein and sensor signal processing which is designed to process the sensor signal of the at least one sensor as a function of the at least one resonator frequency of the at least one resonator. In particular, the sensor signal processing may be configured to suspend processing of the sensor signal of the at least one sensor when the measurement signal at the at least one resonator frequency of the at least one resonator signals an oscillation at the at least one predetermined oscillation frequency of the sensor element.

Details einer oder mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen dargelegt. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.Details of one or more embodiments of the invention are set forth in the following description and the accompanying drawings. Other features, advantages and applications of the invention will become apparent from the description, the drawings and the claims.

Figurenlistelist of figures

Die Zeichnungen zeigen in

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems mit mehreren Sensoren und einem Sensor-externen Analysesystem zur Ermittlung eines Umweltstatus der Sensoren;
  • 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
  • 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
  • 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
  • 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
  • 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor, das Implementierungsdetails einer MEMS-Zelle und der Verschaltung mit einer Signalauswertung zeigt;
  • 7 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
  • 8 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor; und
  • 9 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems mit mehreren Sensoren und einem Sensor-externen Analysesystem zur Ermittlung eines Umweltstatus der Sensoren.
The drawings show in
  • 1 a first embodiment of a sensor system with a plurality of sensors and a sensor-external analysis system for determining an environmental status of the sensors;
  • 2 a first embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector;
  • 3 a second embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector;
  • 4 a third embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector;
  • 5 A fourth embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector;
  • 6 a fifth embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector showing implementation details of a MEMS cell and the interconnection with a signal evaluation;
  • 7 a sixth embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector;
  • 8th a seventh embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector; and
  • 9 A second embodiment of a sensor system with a plurality of sensors and a sensor-external analysis system for determining an environmental status of the sensors.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.In the following description, identical, functionally identical and functionally connected elements may be provided with the same reference numerals. Absolute values are given below by way of example only and are not to be construed as limiting the invention.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in der Automobiltechnik vorgesehen, und zwar vor allem in Fahrdynamik-Regelsystemen. Nachfolgend werden nun Sensorsysteme und Sensoren als Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, die zum Einsatz in solchen Regelsystemen geeignet sind, insbesondere Drehratensensoren. Die Erfindung ist allerdings nicht auf dieses Einsatzgebiet und auf Drehratensensoren beschränkt, sondern kann auch in anderen Einsatzgebieten mit ähnlichen Anforderungen an die Robustheit und Zuverlässigkeit von Sensoren und bei anderen Sensoren als Drehratensensoren wie beispielsweise Linearbeschleunigungssensoren eingesetzt werden.The present invention is intended in particular for use in automotive technology, especially in vehicle dynamics control systems. Hereinafter, sensor systems and sensors will be described as embodiments of the invention, which are suitable for use in such control systems, in particular rotation rate sensors. However, the invention is not limited to this application and rotation rate sensors, but can also be used in other applications with similar demands on the robustness and reliability of sensors and other sensors as rotation rate sensors such as linear acceleration sensors.

Wie bereits in der Einleitung beschrieben ist, ist zur Vermeidung von einem fehlerhaften Verhalten eines Regelsystems für die Fahrdynamik eines Automobils die Erkennung eines Fehlerzustands in dem oder den im Regelsystem eingesetzten Sensor(en) von besonderer Bedeutung. Ein Fehlerzustand eines Sensors kann einerseits durch einen Defekt im Sensor selbst ausgelöst werden, beispielsweise durch unerwünschte Partikel in mikromechanischen Sensorelementen (MEMS: Micro-Electro-Mechanical-System), oder auch durch unterbrochene elektrische Verbindungen zwischen einem Sensor-Element und einer zugehörigen Auswerte-Einheit, die beispielsweise durch einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) implementiert sein kann. Dieser Fehlerzustand wird häufig in Form eines Fehler-Status-Signals, beispielsweise durch ein Fehlerbit, der Auswerteeinheit des Sensors zur Verfügung gestellt und signalisiert, dass das aktuell bereitgestellte Signal nicht vertrauenswürdig ist.As already described in the introduction, in order to avoid a faulty behavior of a control system for the driving dynamics of an automobile, the recognition of a fault condition in the sensor (s) used in the control system is of particular importance. An error state of a sensor can be triggered on the one hand by a defect in the sensor itself, for example by undesired particles in micromechanical sensor elements (MEMS: micro-electro-mechanical system), or by interrupted electrical connections between a sensor element and an associated evaluation element. A unit that may be implemented, for example, by an Application Specific Integrated Circuit (ASIC). This error state is often provided in the form of an error status signal, for example by an error bit, the evaluation unit of the sensor and signals that the currently provided signal is untrustworthy.

Andererseits kann ein Ansprechen einer zur Erkennung eines Fehlerzustands vorgesehenen Überwachungseinheit des Sensors auch Ursachen außerhalb des Sensors haben. Solche Ursachen werden hierin auch als externe Anregung eines Sensors bezeichnet, da sie im Unterschied zu einer internen Anregung des Sensors zum Erzeugen unerwünschter Sensorsignale und/oder zu einer Störung eines Sensorsignals führen können. Beispielsweise können außerhalb des Sensorelements generierte thermisch-mechanische Verspannungen, Temperatureinflüsse, Feuchtigkeitseinflüsse oder Vibrationen eine Beeinflussung eines Sensorelements des Sensors generieren, die einerseits eine Signalstörung hervorruft und andererseits von der Überwachungseinheit als Sensordefekt interpretiert wird.On the other hand, a response of a monitoring unit provided for the detection of a fault condition of the sensor may also have causes outside of the sensor. Such causes are also referred to herein as external excitation of a sensor, since they can lead to the generation of unwanted sensor signals and / or to a disturbance of a sensor signal, in contrast to an internal excitation of the sensor. For example, thermal-mechanical stresses, temperature influences, moisture influences or vibrations generated outside the sensor element can generate an influence on a sensor element of the sensor, which on the one hand causes a signal disturbance and on the other hand is interpreted by the monitoring unit as a sensor defect.

Insbesondere umweltbedingte Störungen liegen oft nur temporär vor und können aufgrund dieser ungewollten Fehlererkennung zur Deaktivierung wichtiger Sicherheitsfunktionen führen. Eine Überwachungseinheit im Sensor kann oftmals nicht unterscheiden, ob ein realer Sensordefekt oder ob ein umweltbedingter externer Einfluss des Sensors vorliegt. Wichtig ist zunächst, den sicheren Systemzustand herzustellen, d.h. ein Sensorsignal bei einem Fehlerzustand als „ungültig“ zu qualifizieren. Zudem sollte innerhalb kurzer Zeit klassifiziert werden, ob es sich um einen signifikanten und dauerhaften Sensordefekt handelt oder ob eine temporäre externe Störung für die Funktionseinschränkung verantwortlich ist.In particular, environmental disturbances are often only temporary and can lead to the deactivation of important safety functions due to this unwanted error detection. A monitoring unit in the sensor often can not distinguish whether there is a real sensor defect or whether there is an environmental external influence of the sensor. First, it is important to establish the safe system state, i. to qualify a sensor signal as "invalid" in a fault condition. In addition, it should be classified within a short time, whether it is a significant and permanent sensor defect or whether a temporary external disturbance is responsible for the functional impairment.

Während im Fall eines Sensordefekts in der Regel ein Austausch des Steuergeräts mit dem Sensor erforderlich ist, der schnell veranlasst werden sollte, um den ordnungsgemäßen Einsatz eines Regelsystems zu gewährleisten, ist im Fall einer ursächlichen externen Beeinflussung ein Steuergerätetausch in der Regel nicht erforderlich.While in the case of a sensor failure usually a replacement of the control unit with the sensor is required, which should be promptly made to ensure the proper use of a control system, in the event of a causal external influence, a control unit replacement is usually not required.

Um eine Unterscheidung zwischen Sensordefekt und externen Beeinflussungen zu ermöglichen, können zusätzliche Umweltstatus-Überwachungen vorgesehen sein.In order to allow a distinction between sensor defect and external influences, additional environmental status monitoring may be provided.

Eine zusätzliche Berücksichtigung des Umweltstatus ermöglicht es zum einen, eine unerwünschte längerfristige Deaktivierung von Regelfunktionen ggf. zu vermeiden, zumal externe Beeinflussungen meist temporärer Natur sind. Zum anderen kann unter Berücksichtigung des Umweltstatus eine unerwünschte Fehlerqualifikation mit dem Attribut „Steuergerät defekt“ aufgrund externer Störungen verhindert werden. An additional consideration of the environmental status makes it possible on the one hand, if necessary, to avoid an unwanted long-term deactivation of control functions, especially since external influences are mostly of a temporary nature. On the other hand, taking into account the environmental status, an undesired error qualification with the attribute "defective control unit" due to external disturbances can be prevented.

Die entsprechende Status-Information wird nachfolgend mit „Umweltzustand“ bezeichnet. Der Umweltzustand kann Statusflag-Informationen über Temperatur, Feuchtigkeit, mechanische Verspannungen, Kräfte, lineare Beschleunigungen, Vibrationsbeschleunigungen, auch frequenzselektiv enthalten.The corresponding status information is referred to below as "environmental status". The environmental status may include status flag information about temperature, humidity, mechanical stresses, forces, linear accelerations, vibration accelerations, and frequency selective.

Der Umweltzustand kann sowohl im Sensor intern erfasst, aber auch außerhalb des Sensors mittels weiterer Indikatoren oder Sensoren generiert werden.The environmental status can be recorded internally in the sensor, but also generated outside the sensor by means of further indicators or sensors.

Eine mögliche Realisierung unter Berücksichtigung des Umweltzustands wird nun am Beispiel von mikromechanischen Drehratensensoren erläutert. Mikromechanische Drehratensensoren nutzen den Coriolis-Effekt zur Bestimmung des Drehratensignals. Dieses Grundprinzip erfordert einen permanent schwingenden Oszillator mit einer Schwingungsgeschwindigkeit ν

Figure DE102017222656A1_0001
(primäre Drive-Schwingung). Eine Drehbewegung s dieses Oszillators um eine zum Vektor ν
Figure DE102017222656A1_0002
senkrechte Richtung generiert eine Corioliskraft α c
Figure DE102017222656A1_0003
senkrecht zur Fläche, die von den Vektoren ν  und  ω
Figure DE102017222656A1_0004
aufgespannt wird. Die Corioliskraft α c
Figure DE102017222656A1_0005
bewirkt die Anregung eines sekundären Schwingungsmodus des Oszillators mit Schwingungsrichtung senkrecht zur primären Drive-Schwingung (sekundäre Sense-Schwingung). Die Amplitude dieser sekundären Sense-Schwingung ist proportional zur wirkenden Drehgeschwindigkeit, so dass daraus das Drehratensignal generiert werden kann. Dieses Sensierungsprinzip basiert auf Resonanzstrukturen, die durch externe Beeinflussungen, welche Störschwingungen bewirken, beeinflusst werden können.A possible realization taking into account the environmental state will now be explained using the example of micromechanical rotation rate sensors. Micromechanical rotation rate sensors use the Coriolis effect to determine the rotation rate signal. This basic principle requires a permanently oscillating oscillator with a vibration velocity ν
Figure DE102017222656A1_0001
(primary drive oscillation). A rotation s of this oscillator by one to the vector ν
Figure DE102017222656A1_0002
vertical direction generates a Coriolis force α c
Figure DE102017222656A1_0003
perpendicular to the surface of the vectors ν and ω
Figure DE102017222656A1_0004
is spanned. The Coriolis force α c
Figure DE102017222656A1_0005
causes the excitation of a secondary oscillation mode of the oscillator with oscillation direction perpendicular to the primary drive oscillation (secondary sense oscillation). The amplitude of this secondary sense oscillation is proportional to the effective rotational speed, so that the yaw rate signal can be generated therefrom. This sensing principle is based on resonance structures that can be influenced by external influences that cause spurious oscillations.

Der stabile permanente Drive-Schwingungsmodus des Oszillators wird mit Regelkreisen sichergestellt. Dieser Schwingungsmodus wird wiederum permanent mit einer oder mehreren Überwachungseinheiten auf seinen plausiblen Betriebszustand geprüft. Die Überwachung gewährleistet den sicheren Betrieb des Sensors und entsprechend die Plausibilität der Sensorsignale. Ein Fehler im Regelkreis des Sensor-Oszillators kann beispielsweise mittels Amplituden- oder Phasenüberwachung erkannt und eine nachfolgende Anwendung wie beispielsweise eine Fahrdynamikregelung schnell in einen sicheren Zustand transferiert werden, beispielsweise deaktiviert werden.The stable permanent drive oscillation mode of the oscillator is ensured with control loops. This vibration mode is in turn permanently checked with one or more monitoring units to its plausible operating condition. The monitoring ensures the safe operation of the sensor and the plausibility of the sensor signals. An error in the control loop of the sensor oscillator can be detected, for example, by means of amplitude or phase monitoring, and a subsequent application such as a vehicle dynamics control can be quickly transferred to a safe state, for example deactivated.

Die Überwachung findet im Bereich der Oszillator-Resonanzfrequenz statt. Daher ist dieser Überwachungsmechanismus empfindlich auf mechanische Störungen im Bereich der Arbeitsfrequenzen des Sensoroszillators.The monitoring takes place in the area of the oscillator resonance frequency. Therefore, this monitoring mechanism is sensitive to mechanical disturbances in the range of the operating frequencies of the sensor oscillator.

Nachfolgend wird nun erläutert, wie Betriebs- und Überwachungsmodi eines Drehratensensors so modifiziert werden können, damit zwischen einer „umweltbedingten Störung“ und einem Sensordefekt verlässlich unterschieden werden kann.It will now be explained how operating and monitoring modes of a yaw rate sensor can be modified so that a distinction can be made reliably between an "environmental fault" and a sensor fault.

Die bei Drehratensensoren üblicherweise vorgesehenen Sensor-Fehlerflags, die nicht zwischen Sensordefekt und umweltbedingter Störung unterscheiden, werden durch einen „Umweltstatus“ ergänzt, wodurch insbesondere die Verfügbarkeit eines Fahrzeugregelsystems bei rauen Einsatzbedingungen mit häufigen externen Anregungen des Drehratensensors verbessert werden kann. Durch diese Unterscheidungsmöglichkeit kann vermieden werden, dass in bestimmten Situationen ein Steuergerät als defekt klassifiziert wird und getauscht werden muss, obwohl die temporäre Einschränkung „nur“ durch eine ausgeprägte externe Beeinflussung verursacht wurde. Durch den zusätzlichen Umweltstatus kann die Verfügbarkeit eines Regelsystems verbessert und ein nicht gerechtfertigter Steuergerätetausch vermieden werden.The sensor error flags usually provided in the case of rotation rate sensors, which do not distinguish between sensor defect and environmental disturbance, are supplemented by an "environmental status", which can in particular improve the availability of a vehicle control system in harsh operating conditions with frequent external excitations of the rotation rate sensor. By means of this differentiation possibility it can be avoided that in certain situations a control unit is classified as defective and has to be exchanged, although the temporary restriction was "only" caused by a pronounced external influence. The additional environmental status improves the availability of a control system and avoids unjustified ECU replacement.

Nachfolgend sind einige Beispiele für relevante Umweltstatusinformationen aufgeführt, die detektiert werden können, um einen möglichen externen Einfluss auf einen Sensor zu bewerten:

  • - Temperatur;
  • - Feuchtigkeit;
  • - Luftdruck;
  • - Vibration, insbesondere selektiv für verschiedene Frequenzbereiche;
  • - Körperschall-Signale;
  • - mechanische Verspannungen.
Below are some examples of relevant environmental status information that can be detected to evaluate a potential external impact on a sensor:
  • - temperature;
  • - Humidity;
  • - air pressure;
  • - vibration, in particular selective for different frequency ranges;
  • - structure-borne noise signals;
  • - mechanical tension.

Der Umweltstatus kann Sensor-intern oder Sensor-extern generiert werden und von einem Analysesystem, beispielsweise einer Auswerteschaltung im Rahmen einer Signalaufbereitung weiterverarbeitet werden. Extern kann bedeuten, dass Umweltinformationen eines weiteren Sensors beispielsweise innerhalb des gleichen Steuergeräts bzw. ECU (Electronic Control Unit) verwendet werden, oder auch Informationen von anderen ECUs.The environmental status can be generated sensor-internally or sensor-externally and further processed by an analysis system, for example an evaluation circuit in the context of a signal conditioning. External can mean that environmental information of another sensor, for example, be used within the same ECU or (Electronic Control Unit), or information from other ECUs.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems mit zwei ECUs 100-1, 100-2, die jeweils einen oder mehrere Sensoren 102-1, 102-2, 102-3 und jeweils eine Signalaufbereitungsschaltung 104-1, 104-2 aufweisen. Jeder Sensor 102-1, 102-2, 102-3 weist jeweils mindestens ein Sensorelement 1020-1, 1020-2, 1020-3 und jeweils einen Umweltstatusdetektor (UwDet) 1022-1, 1022-2, 1022-3 auf. Die Sensorelemente (Sig) 1020-1, 1020-2, 1020-3 erzeugen jeweils ein Sensorsignal, und die Umweltstatusdetektoren 1022-1, 1022-2, 1022-3 detektieren externe (wie die beispielsweise oben aufgeführten) Einflüsse auf das jeweilige Sensorelemente 1020-1, 1020-2, 1020-3 und geben abhängig von der Detektion ein Umweltstatus-Signal mit einer oder mehreren Umweltstatusinformationen wie beispielsweise „Temperatur > 40°C“, „Vibration bei 100Hz“, „Körperschallsignal bei 10 kHz“, etc. aus. Den Signalaufbereitungsschaltungen 104-1, 104-2 werden eines oder mehrere der Umweltstatus-Signale und ggf. eines oder mehrere der Sensorsignale zugeführt. Zur Verarbeitung der zugeführten Umweltstatus-Signale weisen die Signalaufbereitungsschaltungen 104-1, 104-2 jeweils einen Umweltsummenstatusgenerator 1040-1, 1040-2 auf, welcher aus den zugeführten Umweltstatus-Signalen ein Umweltstatus-Summensignal erzeugt, das den Umweltstatus für die Sensoren 102-1, 102-2 bzw. 102-3 der entsprechenden ECU 100-1, 100-2 repräsentiert. Die Signalaufbereitungsschaltung 104-1 weist zudem einen Signalstatusgenerator 1042 auf, dem das Sensorsignal des Sensorelements 1020-1 und ein Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 zugeführt werden. Abhängig vom Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 kann der Signalstatusgenerator 1042 bei einer durch das Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 signalisierten externen Beeinflussung des Sensors 102-1 über sein Ausgangssignal den Signalstatus beispielsweise auf „temporäre Störung“ setzen. Die Ausgangssignale der Umweltsummenstatusgeneratoren 1040-1 und 1040-2 sowie des Signalstatusgenerators 1042 können über ein Bussystem COM 106 an weitere ECUs wie beispielsweise ein Fahrdynamikregel-ECU übermittelt werden oder wie in 1 gezeigt vom ECU 100-2 zum ECU 100-1. 1 shows a block diagram of an embodiment of a sensor system with two ECUs 100-1 . 100-2 , each one or more sensors 102-1 . 102-2 . 102-3 and one signal conditioning circuit each 104-1 . 104-2 respectively. Every sensor 102-1 . 102-2 . 102-3 each has at least one sensor element 1020-1 . 1020-2 . 1020-3 and one environmental status detector each (UwDet) 1022-1 . 1022-2 . 1022-3 on. The sensor elements (Sig) 1020-1 . 1020-2 . 1020-3 each generate a sensor signal, and the environmental status detectors 1022-1, 1022-2 . 1022-3 detect external (such as those listed above) influences on the respective sensor elements 1020-1 . 1020-2 . 1020-3 and output, depending on the detection, an environmental status signal having one or more environmental status information such as "temperature> 40 ° C", "vibration at 100Hz", "structure-borne sound signal at 10kHz", etc. The signal conditioning circuits 104-1 . 104-2 one or more of the environmental status signals and possibly one or more of the sensor signals are supplied. For processing the supplied environmental status signals have the signal conditioning circuits 104-1 . 104-2 one environmental totals status generator each 1040-1 . 1040-2 which generates from the supplied environmental status signals an environmental status cumulative signal indicative of the environmental status of the sensors 102-1 . 102-2 or. 102-3 the corresponding ECU 100-1 . 100-2 represents. The signal conditioning circuit 104-1 also has a signal status generator 1042 on which the sensor signal of the sensor element 1020-1 and an output of the environmental sum status generator 1040-1 be supplied. Depending on the output of the environmental sum status generator 1040-1 can be the signal status generator 1042 at one by the output of the environmental sum status generator 1040-1 signaled external influence of the sensor 102-1 For example, set the signal status to "temporary fault" via its output signal. The output signals of the environmental sum status generators 1040-1 and 1040-2 and the signal status generator 1042 can via a bus system COM 106 be transmitted to other ECUs such as a vehicle dynamics control ECU or as in 1 shown by the ECU 100-2 to the ECU 100-1 ,

Neben der Verwendung der Umweltstatusinformation zur Verbesserung der Robustheit kann diese auch gezielt genutzt werden zur Verbesserung der Sensorsignalpräzision. Die oben genannten Umweltstatusinformationen wie „Temperatur“, „Feuchtigkeit“, „Mechanische Verspannung“ etc. können beispielsweise dazu führen, dass gemessene Sensorsignale verfälscht werden. Eine geeignete Kalibrierung der Sensorsignale, abhängig von Umweltstatusinformationen, kann die Präzision der bereitgestellten Sensorsignale verbessern.In addition to the use of environmental status information to improve the robustness, this can also be used selectively to improve the sensor signal precision. The above-mentioned environmental status information such as "temperature", "moisture", "mechanical stress", etc., for example, can lead to the fact that measured sensor signals are corrupted. Appropriate calibration of the sensor signals, depending on environmental status information, may improve the precision of the sensor signals provided.

Nachfolgend wird nun eine grundlegende Betriebsweise des Umweltstatus-Detektors am Beispiel eines in 2 anhand eines Blockschaltbilds dargestellten Drehratensensors 10-4 basierend auf dem Coriolisprinzip beschrieben.Below is a basic operation of the environmental status detector using the example of an in 2 Based on a block diagram rotation rate sensor shown 10-4 described based on the Coriolis principle.

Die Driveschwingung eines Drive-Schwingungselement D eines MEMS 12-4 des Drehratensensors 10-4 wird mittels einer Drive-Control-Schaltung DC stabil geregelt und gewährleistet die frequenzstabile permanente Oszillation des Drive-Schwingungselements D des MEMS 12-4 mit der Resonanzfrequenz der Driveschwingung ωD in der Drive-Schwingungsebene. Eine zu messende Drehrate erzeugt gemäß Coriolis-Effekt eine resultierende Auslenkung in der Sense-Schwingungsebene. Diese Sense-Schwingungsebene hat eine Resonanz ωS nahe der Driveschwingung ωD . Mittels einer Auslesestruktur eines Sense-Schwingungselements S des MEMS 12-4 wird ein der gemessenen Drehrate proportionales analoges Signal bereitgestellt. In einem Signalverarbeitungspfad Sig wird das Sensorsignal erzeugt, insbesondere durch Signalkonvertierung (z.B. C-V), gegebenenfalls AD-Wandlung, sowie Signalaufbereitung, Demodulation und Signalfilterung. Ein Modul MON überwacht die verschiedenen Sub-Module bzw. Elemente DC, D, S und Sig auf eine korrekte Funktion. Ein zusätzlicher Umweltdetektor UwDet, dem Ausgangssignale der Sub-Module bzw. Elemente DC, D, S und Sig zugeführt werden, ermöglicht eine Unterscheidung zwischen einem Sensordefekt und einer Umweltstörung und kann ein entsprechendes Umweltstatus-Signal ausgeben.The drive oscillation of a drive oscillation element D a MEMS 12-4 the rotation rate sensor 10-4 is controlled stable by means of a DC drive control circuit and ensures the frequency-stable permanent oscillation of the drive oscillation element D of the MEMS 12-4 with the resonant frequency of the drive oscillation ω D in the drive oscillation plane. A rate of rotation to be measured generates a resulting deflection in the sense vibration plane according to the Coriolis effect. This sense vibration plane has a resonance ω S near the Driveschwingung ω D , By means of a readout structure of a sense vibration element S of the MEMS 12-4 an analogue signal proportional to the measured rate of rotation is provided. In a signal processing path Sig, the sensor signal is generated, in particular by signal conversion (eg CV), optionally AD conversion, and signal conditioning, demodulation and signal filtering. A MON module monitors the various sub-modules or elements DC . D . S and Sig for a correct function. An additional environmental detector UwDet, the output signals of the sub-modules or elements DC . D . S and Sig are allowed to discriminate between a sensor defect and an environmental disturbance and can output a corresponding environmental status signal.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 10-3 mit einem MEMS 12-3, das zusätzlich zu den Drive- und Sense-Schwingungselementen D, S eine integrierte separate Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie vor allem auch im Frequenzbereich der Drive und Sense-Frequenz der Schwingungselemente D, S des Drehratenelements 12-3 empfindlich ist. Durch geeignete Signalbewertungsmaßnahmen im Umweltdetektor UwDet können Resonanzanregungen des Sensorelements 12-3 identifiziert und ein Resonanzstatus signalisiert werden. Insbesondere kann eine solche Identifizierung im Umweltdetektor UwDet mittels Bandpassfilterung (Filter Bandpass) der Signale der Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 realisiert werden, beispielsweise indem der Filter Bandpass aus den zugeführten Signalen der Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 ein Signalspektrum im Bereich einer Resonanzfrequenz, die an die Drive- und Sensor-Frequenz der Schwingungselemente D, S des MEMS 12-3 angepasst ist, herausfiltert. Das herausgefilterte Signalspektrum kann dann über einen Vergleicher Compare mit einem Schwellwert verglichen werden. Abhängig vom Vergleich kann dann die Bewertung einer Signalstörung vorgenommen werden. Beispielsweise kann bei Überschreiten des Schwellwerts darauf geschlossen werden, dass im von der Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 erzeugten Signal ein Signalanteil vorhanden ist, der auf eine externe Beeinflussung der Drive- und Sense-Frequenz schließen lässt, so dass eine Signalstörung in Form einer externen Schwingungsbeeinflussung mit dem Umweltstatus-Signal durch den Umweltdetektor UwDet signalisiert werden kann. 3 shows an embodiment of a rotation rate sensor 10-3 with a MEMS 12-3 , in addition to the drive and sense vibration elements D . S an integrated separate accelerometer cell Acc 14-3 has, which is designed so that they especially in the frequency range of the drive and sense frequency of the vibration elements D . S the rotation rate element 12-3 is sensitive. By suitable signal evaluation measures in the environmental detector UwDet resonance excitations of the sensor element 12-3 be identified and a resonance status signaled. In particular, such an identification in the environmental detector UwDet by means of band-pass filtering (filter bandpass) of the signals of the acceleration sensor cell Acc 14-3 be realized, for example by the filter bandpass from the supplied signals of the acceleration sensor cell Acc 14-3 a signal spectrum in the range of a resonant frequency, which corresponds to the drive and sensor frequency of the vibration elements D . S of the MEMS 12-3 is adjusted, filters out. The filtered-out signal spectrum can then be compared with a threshold value via a comparator Compare. Depending on the comparison, the evaluation of a signal fault can then be made. For example, when the threshold is exceeded, it can be concluded that in the of the Accelerometer cell Acc 14-3 generated signal is present, which suggests an external influence on the drive and sense frequency, so that a signal disturbance in the form of an external vibration influence with the environmental status signal can be signaled by the environmental detector UwDet.

Die Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 kann monolithisch im Modul des Drehratenelements 12-3 integriert werden, wie es in 3 angedeutet ist. Es kann aber ein separater Sensorchip mit einer Beschleunigungssensorzelle für die Resonanzdetektion genutzt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorchip um den Beschleunigungssensorchip eines kombinierten Drehraten/Beschleunigungssensors handeln.The acceleration sensor cell Acc 14-3 can be monolithic in the module of the rotation rate element 12-3 be integrated as it is in 3 is indicated. However, a separate sensor chip with an acceleration sensor cell can be used for the resonance detection. By way of example, the sensor chip may be the acceleration sensor chip of a combined yaw rate / acceleration sensor.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 10-3 mit einem MEMS 12-3 wie dem des in 2 gezeigten Drehratensensors 10-4. Bei diesem Drehratensensor 10-3 wird eine externe separate Beschleunigungssensorzelle Acc 14-2 innerhalb eines zusätzlichen Sensorchips Sensor2 als Resonator zur Resonanzdetektion genutzt, die vor allem auch im Frequenzbereich der Drive und Sense-Frequenz des Drehratenelements empfindlich ist. Durch geeignete Signalbewertungsmaßnahmen können Resonanzanregungen des Sensorelements 12-4 identifiziert und ein Resonanzstatus durch den Umweltdetektor UwDet signalisiert werden. Die Beschleunigungssensorzelle Acc 14-2 kann auf derselben Leiterplatte, im selben Steuergerät wie das Sensorelement 12-4 oder in einem anderen Steuergerät mit ausreichender mechanischer Kopplung integriert werden. 4 shows an embodiment of a rotation rate sensor 10-3 with a MEMS 12-3 like the one in 2 shown yaw rate sensor 10-4 , In this rotation rate sensor 10-3 becomes an external separate acceleration sensor cell Acc 14-2 used within an additional sensor chip Sensor2 as a resonator for resonance detection, which is particularly sensitive in the frequency range of the drive and sense frequency of the rotation rate element. By suitable signal evaluation measures resonance excitations of the sensor element 12-4 identified and a resonance status signaled by the environmental detector UwDet. The acceleration sensor cell Acc 14-2 can be on the same circuit board, in the same controller as the sensor element 12-4 or integrated in another control device with sufficient mechanical coupling.

5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Drehratensensor 12 mit Schwingungselementen D und S, insbesondere ein Drehraten-MEMS, mindestens einen integrierten, von den Schwingungselementen D, S separaten Resonator Res 14 aufweist. Das Design dieses mindestens einen Resonators 14 ist optimiert auf Resonanzfrequenzen, die den Resonanzfrequenzen der Schwingungselemente D und S und ggf. weiteren empfindlichen Frequenzen des Drehratensensors 12 entsprechen können. Im Fall einer Resonanzstörung des Drehratensensors 12 wird auch der integrierte Resonator 14 mechanisch zu Schwingungen angeregt, wodurch eine externe Beeinflussung des Sensorsignals festgestellt werden kann. 5 shows an embodiment in which a rotation rate sensor 12 with vibration elements D and S, in particular a rotation rate MEMS, at least one integrated, separate from the vibration elements D, S resonator Res 14 having. The design of this at least one resonator 14 is optimized to resonance frequencies, the resonance frequencies of the vibration elements D and S and possibly other sensitive frequencies of the rotation rate sensor 12 can correspond. In the case of a resonance disturbance of the rotation rate sensor 12 also becomes the integrated resonator 14 mechanically excited to vibrations, whereby an external influence of the sensor signal can be detected.

Der Transfer der Ausgangssignale des Resonators 14 zu elektrisch detektierbaren Signalen kann mittels der ohnehin im Drehratensensor 12 verwendeten Technologien wie z.B. kapazitive (C/V), piezoelektrische oder piezoresistive Erfassung stattfinden. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Umweltdetektor UwDet 16 einen Signalwandler 160 auf, der aus dem Ausgangssignal des Resonators 14, insbesondere einer Schwingung, ein Spannungssignal erzeugt. Ferner ist ein Verstärker 162 vorgesehen, der das Spanungssignal verstärkt. Im einfachsten Ansatz kann das verstärkte, analoge Spannungssignal in der Auswerteschaltung des Umweltdetektors UwDet 16 gegen Schwellwerte mittels einer Vergleichsschaltung bzw. einem Komparator 166 verglichen werden. Optional kann auch ein Vergleich digitaler Signale nach einer zusätzlichen Analog-Digital-Wandlung durch einen Analog-DigitalWandler AD 164 stattfinden. Unabhängig von der Art der gewählten Auswertemethode kann bei Überschreiten eines kritischen Schwellwerts angezeigt werden, dass eine Resonanzstörung des Drehratensensors 12 vorliegen muss, zumal das ausgewertete Signal des Resonators 14 mit der gleichen Frequenz zu Schwingungen angeregt werden kann, mit welcher auch die Schwingungselemente D und S des Drehratensensors 12 schwingen. Eine Kalibrierung der Schwellwerte kann mittels des Resonanzverhaltens der Schwingungselemente D und S festgelegt werden. Die Schwellen können so festgelegt werden, dass jede sicherheitskritische Signalstörung aufgrund einer Resonanzanregung auch vom Umweltdetektor UwDet 16 erkannt werden kann.The transfer of the output signals of the resonator 14 to electrically detectable signals can by means of the already in the rotation rate sensor 12 used technologies such as capacitive (C / V), piezoelectric or piezoresistive detection take place. At the in 5 In the embodiment shown, the environmental detector UwDet 16 a signal converter 160 up, from the output signal of the resonator 14 , in particular a vibration, generates a voltage signal. Further, an amplifier 162 provided, which amplifies the voltage signal. In the simplest approach, the amplified, analog voltage signal in the evaluation circuit of the environmental detector UwDet 16 against thresholds by means of a comparison circuit or a comparator 166 be compared. Optionally, a comparison of digital signals after an additional analog-to-digital conversion by an analog-to-digital converter AD 164 occur. Regardless of the type of evaluation method selected, when a critical threshold value is exceeded, it may be indicated that a resonance disturbance of the rotation rate sensor has occurred 12 must be present, especially the evaluated signal of the resonator 14 can be excited with the same frequency to vibrate, with which also the vibration elements D and S the rotation rate sensor 12 swing. A calibration of the threshold values can be achieved by means of the resonance behavior of the vibration elements D and S be determined. The thresholds can be set so that any safety-critical signal disturbance due to a resonance excitation from the environmental detector UwDet 16 can be recognized.

In 6 sind die Zusammenhänge zwischen dem grundlegenden Funktionsprinzip eines mikromechanischen Drehratensensors und den vorgeschlagenen Detektionsmechanismen dargestellt.In 6 the relationships between the fundamental functional principle of a micromechanical rotation rate sensor and the proposed detection mechanisms are shown.

Links in 6 sind die zwei Resonatoren eines Drehratenelements 120 in Form einer MEMS-Zelle 12 dargestellt mit den zueinander senkrechten Richtungen der Drive- und der Sense-Schwingung mit entsprechenden Resonanzfrequenzen. In der Signalauswertung ASIC 18 wird dieser Schwingungszustand der Resonatoren genutzt als Feedback-Signal für die Regelung der Drive Schwingung, sowie als Maß für die zu messende Drehrate im Fall der Sense-Schwingung.Left in 6 are the two resonators of a rotation rate element 120 in the form of a MEMS cell 12 represented with the mutually perpendicular directions of the drive and the sense vibration with corresponding resonance frequencies. In the signal evaluation ASIC 18 This vibration state of the resonators is used as a feedback signal for the control of the drive oscillation, as well as a measure of the rotation rate to be measured in the case of the sense oscillation.

Rechts in 6 sind die beiden zusätzlichen Resonanzelemente bzw. Resonatoren 140 und 142 dargestellt, die mit den mit den gleichen Fertigungsprozessen monolithisch in der MEMS-Zelle 12 integriert werden können, die auch für die Herstellung der Strukturen des Drehratenelements 120 verwendet werden. Das Resonanzelement 140 besitzt eine Resonatorfrequenz f1, die an die Drive-Schwingung des Drehratenelements 120 angepasst ist, und das Resonanzelement 142 besitzt eine Resonatorfrequenz f2, die an die Sense-Schwingung des Drehratenelements 120 angepasst ist. Im Falle einer Resonanzanregung zumindest einer dieser Strukturen des Drehratenelements 120 wird zumindest einer der Resonatoren 140, 142 in mechanische Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen können mittels kapazitiver, piezoelektrischer oder magnetischer Sensierung in elektrisch detektierbare Signale gewandelt werden, so dass sie in der Signalauswertung im ASIC 18 vom Umweltdetektor 16 weiterverarbeitet und bewertet werden können. Sinnvollerweise werden auch hier die bereits für die Sensorsignalauswertung verwendeten Methoden zu verwendet.Right in 6 are the two additional resonant elements or resonators 140 and 142 shown using the same manufacturing processes monolithic in the MEMS cell 12 can be integrated, which also for the production of the structures of the rotation rate element 120 be used. The resonance element 140 has a resonator frequency f1 to the drive oscillation of the rotation rate element 120 is adjusted, and the resonant element 142 has a resonator frequency f2 to the sense vibration of the rotation rate element 120 is adjusted. In the case of resonance excitation of at least one of these structures of the rotation rate element 120 becomes at least one of the resonators 140 . 142 put into mechanical vibrations. These oscillations can be converted into electrically detectable signals by means of capacitive, piezoelectric or magnetic sensing so that they are in the signal evaluation in the ASIC 18 from the environmental detector 16 can be further processed and evaluated. It makes sense to use the methods already used for the sensor signal evaluation.

7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 10-5, der sich von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass alle Überwachungsfunktionen im Modul MON genutzt werden, wobei jedoch die Überwachungsmechanismen in einer Weise modifiziert sind, dass eine Unterscheidung zwischen einem Sensordefekt und einer Resonanzstörung möglich ist. Im Modul MON können beispielsweise folgende Funktionen implementiert sein:

  • - Toggeln von internen Zuständen;
  • - Demodulation;
  • - Delta-Frequenz-Analyse;
  • - Spezifische Signaturen verschiedener Fehlerflags.
7 shows an embodiment of a rotation rate sensor 10 - 5 who is different from the one in 2 In the embodiment shown, it is different in that all monitoring functions are used in the module MON, but the monitoring mechanisms are modified in such a way that a distinction between a sensor defect and a resonance disturbance is possible. In the MON module, for example, the following functions can be implemented:
  • - tokens of internal states;
  • - demodulation;
  • - Delta frequency analysis;
  • - Specific signatures of different error flags.

Diese Maßnahmen können per Definition frequenzselektiv wirken, zumal sie auf den Wirkmechanismen des Standardbetriebsmodus arbeiten können.These measures can by definition have a frequency-selective effect, since they can work on the mechanisms of action of the standard operating mode.

8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 10-6, in dem der Resonator bzw. Resonanzdetektor auf Grundlage eines zweiten Drehraten-Sensorelements 12-62 realisiert ist. Dieses unterscheidet sich vom ersten Drehratenelement 12-61 vor allem in den Resonanzfrequenzen der Driveschwingung D1 und der Senseschwingung S1. Ein signifikanter Unterschied zwischen den Resonanzfrequenzen von D und D1 bzw. entsprechend von S und S1 führt dazu, dass eine einwirkende Resonanzstörung sich lediglich auf ein Sensorelement störend auswirkt. 8th shows an embodiment of a rotation rate sensor 10-6 in which the resonator or resonance detector based on a second yaw rate sensor element 12-62 is realized. This differs from the first rotation rate element 12-61 especially in the resonance frequencies of the Driveschwingung D1 and the sensory oscillation S1 , A significant difference between the resonance frequencies of D and D1 or according to S and S1 causes an acting resonance disturbance to interfere only on a sensor element.

Nutzfunktionen dieser redundanten Sensierungssysteme benötigen zunächst beide Signale, um die Sicherheitsanforderungen in allen Betriebszuständen ausreichend erfüllen zu können.The useful functions of these redundant sensing systems initially require both signals in order to be able to sufficiently fulfill the safety requirements in all operating states.

Im Fall einer signifikanten Signaldifferenz zwischen beiden redundanten Signalen - aufgrund eines Sensordefekts oder aufgrund einer umweltbedingten Störung - wird die Sicherheitsfunktion deaktiviert und gegebenenfalls ein Steuergerätefehler klassifiziert. Mittels dieser Überwachung kann das fehlerhafte Signal nicht identifiziert werden, so dass es nicht möglich ist, die Funktion für begrenzte Zeit mit einem Signalkanal im Rahmen der Sicherheitsanforderungen fortzuführen. Der Einsatz eines Umweltstatusdetektors UwDet ermöglicht es, eine temporäre externe Störung zu identifizieren, diese Störung einem Sensorkanal zuzuordnen, wodurch die Applikation temporär mit dem ungestörten Signalkanal fortgesetzt werden kann. Folglich kann diese Eigenschaft gerade in sicherheitskritischen Situationen zu einer Verbesserung der Verfügbarkeit der Sicherheitsfunktionen führen.In the case of a significant signal difference between both redundant signals - due to a sensor failure or due to an environmental disturbance - the safety function is deactivated and, if necessary, a control unit error is classified. By means of this monitoring, the erroneous signal can not be identified, so that it is not possible to continue the function for a limited time with a signal channel in the context of the security requirements. The use of an environmental status detector UwDet makes it possible to identify a temporary external fault, to assign this fault to a sensor channel, whereby the application can be temporarily continued with the undisturbed signal channel. Consequently, this characteristic can lead to an improvement in the availability of safety functions, especially in safety-critical situations.

9 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems, das sich von dem in 1 gezeigten in der Signalaufbereitungsschaltung 104-3 der ECU 100-1 unterscheidet. Die Signalaufbereitungsschaltung 104-3 weist neben dem Umweltsummenstatusgenerator 1040-1 einen Signalstatusgenerator 1042-1, dem das Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 zugeführt wird, und einen Signalkalibrator SigKalib 105 auf, dem das Sensorsignal des Sensorelements 1020-1 und das Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 zugeführt werden. Die Umweltstatusinformation dient in diesem Ausführungsbeispiel zur Verbesserung der Signalpräzision für den Fall, dass eine Korrelation zwischen Sensorsignal und Umweltstatus besteht. Eine zusätzliche Signalkalibrierung mittels des Signalkalibrators SigKalib 105 innerhalb der Signalaufbereitung unter Berücksichtigung der Umweltstatusinformation ermöglicht es, ungewünschte Einschränkung der Signalpräzision zu kompensieren. 9 shows a block diagram of another embodiment of a sensor system, which differs from the in 1 shown in the signal conditioning circuit 104-3 the ECU 100-1 different. The signal conditioning circuit 104-3 indicates next to the environmental totals status generator 1040-1 a signal status generator 1042-1 which receives the output of the environmental sum status generator 1040-1 is fed, and a signal calibrator SigKalib 105 on which the sensor signal of the sensor element 1020-1 and the output of the environmental sum status generator 1040-1 be supplied. The environmental status information in this embodiment serves to improve signal precision in the event that there is a correlation between sensor signal and environmental status. An additional signal calibration by means of the signal calibrator SigKalib 105 within the signal conditioning, taking into account the environmental status information, makes it possible to compensate for unwanted restriction of the signal precision.

Durch den in den obigen Ausführungsbeispielen enthaltenen Umweltstatusdetektors können folgende technischen Vorteile erzielt werden:By the environmental status detector included in the above embodiments, the following technical advantages can be obtained:

Es kann die Verfügbarkeit von Fahrdynamiksensoren verbessert werden.The availability of driving dynamics sensors can be improved.

Bei herkömmlichen Sensoren sind die Überwachungsfunktionen zur Detektion sensorinterner Defekte optimiert auf die Detektion von Sensordefekten. Diese Überwachungsfunktionen sprechen oft auch auf externe Umweltstörungen an, obwohl kein realer Sensordefekt vorliegt. Zur Gewährleistung maximaler Sicherheit bei gleichzeitig hoher Systemverfügbarkeit müssen deshalb sehr lange Qualifizierungszeiten für Fehler realisiert werden.In conventional sensors, the monitoring functions for detecting sensor-internal defects are optimized for the detection of sensor defects. These monitoring functions often respond to external environmental disturbances, although there is no real sensor defect. To ensure maximum safety with high system availability, therefore, very long qualification times for faults must be realized.

Eine eindeutige Unterscheidung zwischen realen Sensordefekten und externen Störungen durch den Umweltstatusdetektor ermöglicht es, bei realen Sensordefekten sehr schnell zu reagieren und damit die Sicherheit des Systems zu erhöhen. Zusätzlich kann bei eindeutiger Identifizierung von externen Störungen vermieden werden, dass ein unerwünschter Zustand „Steuergerät defekt“ qualifiziert wird, wodurch die Verfügbarkeit der Systeme erhöht wird.A clear distinction between real sensor defects and external disturbances by the environmental status detector makes it possible to react very quickly in the case of real sensor defects and thus to increase the safety of the system. In addition, by uniquely identifying external disturbances, it is possible to avoid qualifying an undesired "defective controller" state, thereby increasing the availability of the systems.

Schließlich kann auch die Präzision von Fahrdynamiksensoren verbessert werden.Finally, the precision of driving dynamics sensors can be improved.

Die vorliegende Erfindung kann eine Unterscheidung zwischen realen Sensorfehlern von durch Umwelteinflüssen verursachten Fehlermeldungen ermöglichen. The present invention can enable a distinction between real sensor errors of environmental errors caused by environmental conditions.

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Claims (10)

Sensor (10) mit - einem Sensorelement (12), das ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu schwingen, wobei aus den Schwingungen ein Sensorsignal abgeleitet werden kann, und - mindestens einem Resonator (14), der ausgebildet ist, bei einer entsprechenden externen Anregung des Sensors mit mindestens einer Resonatorfrequenz zu schwingen, die an eine der vorgegebenen Schwingungsfrequenzen des Sensorelements und/oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst ist.Sensor (10) with - A sensor element (12) which is designed to oscillate in an operating state of the sensor with at least one predetermined oscillation frequency, wherein from the vibrations, a sensor signal can be derived, and - At least one resonator (14) which is designed to oscillate at a corresponding external excitation of the sensor with at least one resonator frequency, which is adapted to one of the predetermined oscillation frequencies of the sensor element and / or to a further frequency of the sensor element. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Detektionsmittel (16) vorgesehen sind, die ausgebildet sind, den mindestens einen Resonator zu überwachen und Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu detektieren.Sensor after Claim 1 , characterized in that detection means (16) are provided, which are designed to monitor the at least one resonator and to detect vibrations of the resonator in the region of the at least one resonator frequency. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel (16) ausgebildet sind, mindestens ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitung mittels kapazitiver, piezoelektrischer und/oder piezoresistiver Erfassung der Schwingungen des mindestens einen Resonators zu erzeugen.Sensor after Claim 2 , characterized in that the detection means (16) are adapted to generate at least one electrical signal for electronic processing by means of capacitive, piezoelectric and / or piezoresistive detection of the oscillations of the at least one resonator. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung (160, 162, 164, 166) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, detektierte Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu verarbeiten und davon abhängig ein Indikatorsignal zu erzeugen.Sensor after Claim 2 or 3 , characterized in that an evaluation circuit (160, 162, 164, 166) is provided, which is designed to process detected oscillations of the resonator in the region of the at least one resonator frequency and to generate an indicator signal dependent thereon. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (160, 162, 164, 166) ausgebildet ist, aus detektierten Schwingungen einen Parameter abzuleiten (160) und den abgeleiteten Parameter mit mindestens einem Schwellwert zu vergleichen (166) und das Indikatorsignal zu erzeugen, wenn der abgeleitete Parameter einen oder mehrere Schwellwerte überschreitet.Sensor after Claim 4 characterized in that the evaluation circuit (160, 162, 164, 166) is adapted to derive a parameter from detected oscillations (160) and compare the derived parameter to at least one threshold (166) and generate the indicator signal when the derived one Parameter exceeds one or more thresholds. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (160, 162, 164, 166) ausgebildet ist, den mindestens einen Schwellwert anhand eines Resonanzverhaltens des Sensorelements zu kalibrieren, indem der mindestens eine Schwellwert derart festgelegt wird, dass eine externe Anregung des Sensors, welche eine Schwingung des Sensorelements im Bereich der mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz verursacht, eine Schwellwertüberschreitung verursacht.Sensor after Claim 5 , characterized in that the evaluation circuit (160, 162, 164, 166) is adapted to calibrate the at least one threshold based on a resonance behavior of the sensor element by the at least one threshold value is set such that an external excitation of the sensor, which is a vibration causes the sensor element in the range of at least one predetermined oscillation frequency, causing a threshold exceeded. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (120) ein mikromechanischer Drehratensensor mit einer ersten vorgegebenen Schwingungsfrequenz und einer zweiten vorgegebenen Schwingungsfrequenz ist, wobei die erste und die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz unterschiedlich sein können.Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (120) is a micromechanical rotation rate sensor having a first predetermined oscillation frequency and a second predetermined oscillation frequency, wherein the first and the second predetermined oscillation frequency may be different. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er einen zusätzlichen ersten und einen zweiten mikromechanischen Resonator (140, 142) aufweist, wobei die Resonatorfrequenz des ersten mikromechanischen Resonators an die erste vorgegebene Schwingungsfrequenz und die Resonatorfrequenz des zweiten mikromechanischen Resonators an die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz angepasst ist.Sensor after Claim 7 , characterized in that it comprises an additional first and a second micromechanical resonator (140, 142), wherein the resonator frequency of the first micromechanical resonator is adapted to the first predetermined oscillation frequency and the resonator frequency of the second micromechanical resonator to the second predetermined oscillation frequency. Sensorsystem mit mindestens einem Sensor (102-1, 102-2, 102-3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Sensorsignalverarbeitung (104-1, 104-2), die ausgebildet ist, das Sensorsignal des mindestens einen Sensors abhängig von einem Messsignal bei der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators zu verarbeiten.Sensor system having at least one sensor (102-1, 102-2, 102-3) according to one of the preceding claims and a sensor signal processing (104-1, 104-2), which is designed, the sensor signal of the at least one sensor depending on a measurement signal to process at the at least one resonator frequency of the at least one resonator. Sensorsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignalverarbeitung (104-1, 104-2) ausgebildet ist, eine Verarbeitung des Sensorsignals des mindestens einen Sensors auszusetzen, wenn das Messsignal bei der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators eine Schwingung bei der mindestens einen vorgegebenen Schingungsfrequenz des Sensorelements signalisiert.Sensor system after Claim 9 characterized in that the sensor signal processing (104-1, 104-2) is designed to suspend processing of the sensor signal of the at least one sensor when the measurement signal at the at least one resonator frequency of the at least one resonator oscillates at the at least one predetermined oscillation frequency of the Sensor element signals.
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