DE102020203910B3

DE102020203910B3 - Verfahren zum Detektieren einer Verunreinigung eines MEMS-Sensorelements

Info

Publication number: DE102020203910B3
Application number: DE102020203910.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Kuells; Felix Springer; Martin Kittel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: US11629047B2; CN113447057A; US20210300751A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Verunreinigung eines mikro-elektromechanischen Sensorelements, umfassend die folgenden Schritte: Ausgeben von Heizsteuersignalen zum Steuern einer Heizeinrichtung, um das Sensorelement zu heizen, Empfangen von Messsignalen, welche eine mittels des geheizten Sensorelements gemessene physikalische Größe repräsentieren, Ermitteln basierend auf der gemessenen physikalischen Größe, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist, in Abhängigkeit eines Vergleichs der thermischen Abhängigkeit des zeitlichen Ansprechverhaltens des Sensorelements mit einem bekannten Referenzverhalten in einem Zustand frei von einer Verunreinigung, Ausgeben von Ergebnissignalen, welche ein Ergebnis repräsentieren, welches angibt, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist.Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren einer Verunreinigung eines mikro-elektromechanischen Sensorelements. Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung.
Stand der Technik
Auf dem Markt befinden sich medienrobuste und/oder wasserdichte MEMS-Drucksensoren, welche diese Eigenschaft durch eine Gelbedeckung des Sensierelementes oder des gesamten Bauteils erhalten. Diese werden zum Beispiel in Mobiltelefonen oder Smartwatches zur Messung des Luftdrucks eingesetzt und sind somit unterschiedlichsten Umwelteinflüssen und Medien in flüssiger oder fester Form ausgesetzt.
Das schützende Gel ist einerseits in direktem Kontakt mit dem Sensierelement, andererseits mit der Umwelt. Kommt der Sensor, genauer die Geloberfläche, in Kontakt mit Wasser, anderen Flüssigkeiten oder allgemein Verunreinigungen, führt dies möglicherweise zu einer Beeinflussung des Drucksensor-Ausgangssignals. Die Veränderungen des Sensorsignals können durch chemische, elektrische oder mechanische Wechselwirkung des Gels mit der Verunreinigung zustande kommen. Dabei ist es irrelevant, ob es sich um eine direkte Beeinflussung des Sensorsignals durch die Verunreinigung handelt, oder ob eine sekundäre Wechselwirkung aufgrund veränderter Geleigenschaften vorliegt. Die Genauigkeit des Sensors kann schlechter als nötig sein.
Da diese Sensoren speziell für den Einsatz in wasserdichten Endgeräten vorgesehen sind, ist eine Kontamination mit Wasser typisch. Nachdem das Gerät aus dem Wasser entnommen wurde, bleibt häufig Wasser auf dem Sensor zurück.
Eine Verunreinigung kann dazu führen, dass ein Sensorverhalten nicht mehr einer Spezifikation entspricht oder dass der Sensor vollkommen unbrauchbar wird.
Es besteht somit ein Bedarf, eine Verunreinigung eines mikro-elektromechanischen Sensorelements zu detektieren.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2008 002 579 A1 offenbart ein mikro-elektromechanisches Sensorelement.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2005 029 841 A1 offenbart eine mikromechanische Vorrichtung mit einer integrierten Heizung.
Aus der Schrift DE 10 2010 001 153 A1 ist ein Drucksensor bekannt, bei der gezielt ein Strom an den Heizer oder die Membran angelegt wird, um einen thermischen Selbsttest auszuführen.
Aus der Schrift DE 10 2018 102 034 A1 in ein Verfahren zum Testen mehrerer Sensorvorrichtungen. Dabei wird eine Versorgungsspannung an die Sensorvorrichtungen angelegt, um die Heizelemente der Sensorvorrichtungen gleichzeitig zu erwärmen.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist darin zu sehen, ein Konzept zum effizienten Detektieren einer Verunreinigung eines mikro-elektromechanischen Sensorelements bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels des jeweiligen Gegenstands der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Nach einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Detektieren einer Verunreinigung eines mikro-elektromechanischen Sensorelements bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte:

Ausgeben von Heizsteuersignalen zum Steuern einer Heizeinrichtung, um das Sensorelement zu heizen,
Empfangen von Messsignalen, welche eine mittels des geheizten Sensorelements gemessene physikalische Größe repräsentieren,

Ermitteln basierend auf der gemessenen physikalischen Größe, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist in Abhängigkeit eines Vergleichs der thermischen Abhängigkeit des zeitlichen Ansprechverhaltens des Sensorelements mit einem bekannten Referenzverhalten in einem Zustand frei von einer Verunreinigung Ausgeben von Ergebnissignalen, welche ein Ergebnis repräsentieren, welches angibt, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist.
Nach einem zweiten Aspekt wird eine Vorrichtung bereitgestellt, zum Detektieren einer Verunreinigung eines mikro-elektromechanischen Sensorelements, umfassend:

ein mikro-elektromechanisches Sensorelement,
eine Heizeinrichtung, welche eingerichtet ist, das mikro-elektromechanische Sensorelement zu heizen, und
eine Signalverarbeitungseinrichtung,
wobei die Signalverarbeitungseinrichtung einen Ausgang aufweist, welcher eingerichtet ist, Heizsteuersignale zum Steuern der Heizeinrichtung auszugeben, um das Sensorelement zu heizen,
wobei die Signalverarbeitungseinrichtung einen Eingang aufweist, welcher eingerichtet ist, Messsignale zu empfangen, welche eine mittels des geheizten Sensorelements gemessene physikalische Größe repräsentieren,
wobei die Signalverarbeitungseinrichtung einen Prozessor aufweist, welcher eingerichtet ist, basierend auf einem Vergleich der thermischen Abhängigkeit des zeitlichen Ansprechverhaltens der gemessenen physikalischen Größe mit einem bekannten Referenzverhalten in einem Zustand frei von einer Verunreinigung zu ermitteln, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist,
wobei der Ausgang eingerichtet ist, Ergebnissignale auszugeben, welche ein Ergebnis repräsentieren, welches angibt, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis und schließt diese mit ein, dass die obige Aufgabe dadurch gelöst werden kann, dass das Sensorelement erwärmt bzw. geheizt wird, wobei in dem erwärmten Zustand bzw. in dem geheizten Zustand das Sensorelement eine physikalische Größe misst.
Basierend auf dieser gemessenen physikalischen Größe wird ermittelt, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist. Ein entsprechendes Ergebnis wird ausgegeben.
Sofern das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist, wird dies einen Einfluss auf den Messvorgang, also auf das Messen der physikalischen Größe, haben.
Weiter ändert insbesondere sich ein Wärmeverhalten, insbesondere ein Wärmetransportverhalten, des Sensorelements, sofern dieses eine Verunreinigung aufweist.
Thermische Umgebungsbedingungen des Sensorelements haben üblicherweise einen Einfluss auf das Messen der physikalischen Größe. Das heißt, dass die gemessene physikalische Größe insbesondere von den thermischen Umgebungsbedingungen abhängt.
Somit kann durch das Heizen des Sensorelements effizient Einfluss auf die thermischen Umgebungsbedingungen des Sensorelements genommen werden, was sich dann wiederum in der gemessenen physikalischen Größe widerspiegelt.
Somit kann effizient basierend auf der gemessenen physikalischen Größe ermittelt werden, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist.
Somit wird insbesondere der technische Vorteil bewirkt, dass ein Konzept zum effizienten Detektieren einer Verunreinigung eines mikro-elektromechanischen Sensorelements bereitgestellt ist.
Für den Begriff „mikro-elektromechanisch“ kann insbesondere die Abkürzung MEMS verwendet werden.
Das Sensorelement ist beispielsweise ein Element ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Sensorelementen: Drucksensor, Temperatursensor, Gassensor, Spannungssensor, Stromsensor, Widerstandssensor, Videosensor, Lidarsensor, Ultraschallsensor, Magnetfeldsensor, Infrarotsensor und Radarsensor.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensorelement mittels einer Schutzschicht geschützt ist. Zum Beispiel ist das Sensorelement mittels einer Schutzschicht bedeckt. Das Sensorelement ist also gemäß einer Ausführungsform mit einer Schutzschicht versehen.
Eine Schutzschicht umfasst gemäß einer Ausführungsform ein Gel.
Eine Verunreinigung kann sich also insbesondere auf dem Gel ablagern.
Die Formulierung, dass das Sensorelement frei von einer Verunreinigung ist, umfasst insbesondere, dass das Gel frei von einer Verunreinigung ist.
Die Formulierung, dass das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist, umfasst insbesondere, dass das Gel eine Verunreinigung aufweist.
Sofern das Sensorelement ein Drucksensor ist, ist die gemessene physikalische Größe ein Druck.
Sofern das Sensorelement ein Temperatursensor ist, ist die gemessene physikalische Größe eine Temperatur.
Eine Verunreinigung umfasst gemäß einer Ausführungsform ein Fluid und/oder Staub und/oder einen Festkörper und/oder einen Biofilm.
Ein Fluid umfasst gemäß einer Ausführungsform Wasser und/oder eine oder mehrere andere Flüssigkeiten.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass Temperatursignale empfangen werden, welche eine Sensorelementtemperatur und/oder eine Umgebungstemperatur des Sensorelements repräsentieren, wobei das Ermitteln, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist, basierend auf den Temperatursignalen durchgeführt wird.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass das Ermitteln, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist, effizient durchgeführt werden kann.
Dadurch, dass die Sensorelementtemperatur und/oder eine Umgebungstemperatur bekannt sind, können die thermischen Umgebungsbedingungen bzw. ein Wärmeverhalten, insbesondere ein Wärmetransportverhalten, des Sensorelements effizient ermittelt werden.
Da die thermischen Umgebungsbedingungen bzw. das Wärmetransportverhalten einen Einfluss auf die gemessene physikalische Größe haben, kann effizient ermittelt werden, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass Referenzsignale empfangen werden, welche eine physikalische Referenzgröße repräsentieren, wobei das Ermitteln, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist, basierend auf der physikalischen Referenzgröße durchgeführt wird.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass das Ermitteln, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist, effizient durchgeführt werden kann.
Zum Beispiel wurde die physikalische Referenzgröße bei bekannten Bedingungen, insbesondere bekannte thermische Umgebungsbedingungen, mittels eines elektromechanischen Sensorelements, insbesondere mittels des einen mikro-elektromechanischen Sensorelements, gemessen. Insbesondere wies das Sensorelement bei Messung der physikalischen Referenzgröße keine Verunreinigung auf. Das heißt, dass bei einem Messen der physikalischen Referenzgröße das Sensorelement frei von einer Verunreinigung war.
Das heißt also insbesondere, dass bei einer Abweichung der gemessenen physikalischen Größe von der physikalischen Referenzgröße, insbesondere innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs, bestimmt werden kann, dass das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist.
Sofern die Abweichung zum Beispiel innerhalb des vorbestimmten Toleranzbereichs liegt, wird zum Beispiel bestimmt, dass das Sensorelement frei von einer Verunreinigung ist, anderenfalls wird zum Beispiel bestimmt, dass das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist.
Das heißt also insbesondere, dass gemäß einer Ausführungsform vorgesehen ist, dass eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe von der physikalischen Referenzgröße ermittelt wird, wobei das Ermitteln, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist, basierend auf der ermittelten Abweichung durchgeführt wird.
Die physikalische Referenzgröße und die gemessene physikalische Größe weisen eine gleiche physikalische Einheit auf.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die gemessene physikalische Größe einen zeitlichen Verlauf der physikalischen Größe umfasst.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die physikalische Referenzgröße einen zeitlichen Verlauf der physikalischen Referenzgröße umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einem Ermitteln, dass das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist, ermittelt wird, welcher Art die Verunreinigung ist, wobei das Ergebnis zusätzlich die Art der Verunreinigung angibt.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass abhängig von der Art der Verunreinigung effizient geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
Sofern die Verunreinigung ein Fluid, insbesondere Wasser, umfasst, kann zum Beispiel ein Trocknungsvorgang empfohlen bzw. initiiert bzw. durchgeführt werden.
Sofern zum Beispiel die Verunreinigung Staub umfasst, kann zum Beispiel ein Reinigungsvorgang empfohlen bzw. initiiert bzw. durchgeführt werden.
Das Ermitteln, welcher Art die Verunreinigung ist, wird gemäß einer Ausführungsform basierend auf der gemessenen physikalischen Größe und/oder basierend auf den Temperatursignalen und/oder basierend auf der physikalischen Referenzgröße durchgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Wasserkontaktsignal empfangen wird, welches einen erkannten Kontakt einer Umgebung des Sensorelements mit Wasser repräsentiert, das wobei das Ermitteln, welcher Art die Verunreinigung ist, ein Festlegen umfasst, dass die Art der Verunreinigung Wasser umfasst.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass die Art der Verunreinigung effizient ermittelt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einem Ermitteln, dass das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist, Steuersignale zum Steuern eines Verunreinigungsbeseitigungsprozesses ausgegeben werden.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass die Verunreinigung effizient beseitigt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuersignale basierend auf der ermittelten Art der Verunreinigung ausgegeben werden.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass die Verunreinigung effizient beseitigt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass, wenn die Verunreinigung Wasser und/oder ein Fluid und/oder einen Biofilm umfasst, die Steuersignale Trocknungsheizsteuersignale zum Steuern der Heizeinrichtung umfassen, um das Sensorelement durch heizen zu trocknen, und/oder wobei, wenn die Verunreinigung Staub und/oder einen Festkörper und/oder einen Biofilm umfasst, die Steuersignale Reinigungssteuersignale zum Steuern einer Reinigungseinrichtung, um das Sensorelement zu reinigen.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass die Verunreinigung effizient beseitigt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensorelement von einem Gerät umfasst ist, welches eine Wassererkennungseinrichtung umfasst, welche eingerichtet ist, einen Kontakt des Geräts mit Wasser zu erkennen und bei einem erkannten Kontakt des Geräts mit Wasser ein Wasserkontaktsignal auszugeben, wobei das Ermitteln, welcher Art die Verunreinigung ist, abhängig davon durchgeführt wird, ob ein Wasserkontaktsignal empfangen wurde oder nicht.
Dadurch wird zum Beispiel der technische Vorteil bewirkt, dass die Art der Verunreinigung effizient ermittelt werden kann.
Sofern zum Beispiel kein Wasserkontaktsignal empfangen wurde, wird zum Beispiel bestimmt, dass die Verunreinigung kein Fluid, insbesondere kein Wasser, umfasst.
Sofern zum Beispiel ein Wasserkontaktsignal empfangen wurde, wird zum Beispiel bestimmt, dass die Verunreinigung ein Fluid, insbesondere Wasser, umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Sensorelement von einem Gerät umfasst.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Gerät eine Wassererken nu ngsei n richtu ng.
Die Wassererkennungseinrichtung ist gemäß einer Ausführungsform eingerichtet, einen Kontakt des Geräts mit Wasser zu erkennen und bei einem erkannten Kontakt des Geräts mit Wasser ein Wasserkontaktsignal auszugeben.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Gerät eine Ladeelektronik.
Nach einer Ausführungsform ist das Gerät ein Element ausgewählt aus der folgenden Gruppe von Geräten: Endgerät, insbesondere Mobiltelefon, Smartwatch, Computer, Laptop, Tablet, Satellitennavigationsgerät.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensorelement innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Gerät das Gehäuse.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Heizeinrichtung ein oder mehrere Heizelemente umfasst.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensorelement ein Heizelement umfasst.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Heizelement in dem Sensorelement integriert ist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an einer Außenfläche des Sensorelements ein Heizelement angeordnet ist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gehäuse ein Heizelement umfasst.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Heizelement in dem Gehäuse integriert ist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Oberfläche des Gehäuses mit einem Heizelement versehen ist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an einer Oberfläche des Gehäuses ein Heizelement angeordnet ist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensorelement auf einer Leiterplatte angeordnet ist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Leiterplatte ein Heizelement umfasst.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensorelement auf einem Substrat bzw. Träger angeordnet ist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Substrat bzw. der Träger ein Heizelement umfasst.
Sofern für das Heizelement der Singular verwendet wird, soll stets der Plural und umgekehrt mitgelesen werden.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Sensorelement von einem Gerät umfasst ist, welches eine Wassererkennungseinrichtung umfasst, welche eingerichtet ist, einen Kontakt des Geräts mit Wasser zu erkennen und bei einem erkannten Kontakt des Geräts mit Wasser ein Wasserkontaktsignal auszugeben, wobei der Eingang eingerichtet ist, das Wasserkontaktsignal zu empfangen, wobei der Prozessor eingerichtet ist, das Ermitteln, welcher Art die Verunreinigung ist, abhängig davon durchzuführen, ob ein Wasserkontaktsignal empfangen wurde oder nicht.
Eine Ausführungsform umfasst eine Verunreinigungsbeseitigungseinrichtung, welche eingerichtet ist, einen Verunreinigungsbeseitigungsprozess durchzuführen, wobei der Ausgang eingerichtet ist, Steuersignale zum Steuern der Verunreinigungsbeseitigungseinrichtung auszugeben, um einen Verunreinigungsbeseitigungsprozess durchzuführen.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Verunreinigungsbeseitigungseinrichtung ein oder mehrere der folgenden umfasst: die Heizeinrichtung, ein Piezoelement zum Beaufschlagen des Sensorelements mit Schwingungen.
Eine Ausführungsform umfasst einen Speicher, in welchem eine physikalische Referenzgröße gespeichert ist, wobei die physikalische Referenzgröße und die gemessene physikalische Größe eine gleiche physikalische Einheit aufweisen, wobei der Eingang eingerichtet ist, von dem Speicher Referenzsignale zu empfangen, welche die physikalische Referenzgröße repräsentieren, wobei der Prozessor eingerichtet ist, das Ermitteln, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist, basierend auf der physikalischen Referenzgröße durchzuführen, wobei der Prozessor eingerichtet ist, eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe von der physikalischen Referenzgröße zu ermitteln, wobei der Prozessor eingerichtet ist, das Ermitteln, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist, basierend auf der ermittelten Abweichung durchzuführen.
Vorteile, welche im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, gelten analog für entsprechende Ausführungsformen der Vorrichtung und umgekehrt.
Die Abkürzung „bzw.“ steht für „beziehungsweise“.
Die Formulierung „beziehungsweise“ steht für „respektive“.
Die Formulierung „respektive“ steht für „und/oder“.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren nach dem ersten Aspekt ein computerimplementiertes Verfahren ist.
Nach einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt mittels der Vorrichtung nach dem zweiten Aspekt aus- oder durchgeführt wird.
Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Das heißt also insbesondere, dass sich technische Funktionalitäten der Vorrichtung analog aus entsprechenden technischen Funktionalitäten des Verfahrens und umgekehrt ergeben.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung nach dem zweiten Aspekt eingerichtet ist, alle Schritte des Verfahrens nach dem ersten Aspekt auszuführen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren einer Verunreinigung eines mikro-elektromechanischen Sensorelements,
2 eine Vorrichtung,
3 - 6 jeweils ein mikro-elektromechanisches Sensorelement und
7 einen Graphen.

Im Folgenden können für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet werden.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Detektieren einer Verunreinigung eines mikro-elektromechanischen Sensorelements, umfassend die folgenden Schritte:

Ausgeben 101 von Heizsteuersignalen zum Steuern einer Heizeinrichtung, um das Sensorelement zu heizen,
Empfangen 103 von Messsignalen, welche eine mittels des geheizten Sensorelements gemessene physikalische Größe repräsentieren,
Ermitteln 105 basierend auf der gemessenen physikalischen Größe, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist,
Ausgeben 107 von Ergebnissignalen, welche ein Ergebnis repräsentieren, welches angibt, ob das Sensorelement eine Verunreinigung aufweist oder frei von einer Verunreinigung ist.

In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren nach dem ersten Aspekt ein Messen der physikalischen Größe, insbesondere ein Messen eines zeitlichen Verlaufs der physikalischen Größe.
2 zeigt eine Vorrichtung 201 zum Detektieren einer Verunreinigung 601, 701 eines mikro-elektromechanischen Sensorelements 203, umfassend:

ein mikro-elektromechanisches Sensorelement 203,
eine Heizeinrichtung 205, welche eingerichtet ist, das mikro-elektromechanische Sensorelement 203 zu heizen, und
eine Signalverarbeitungseinrichtung 207,
wobei die Signalverarbeitungseinrichtung 207 einen Ausgang 209 aufweist, welcher eingerichtet ist, Heizsteuersignale zum Steuern der Heizeinrichtung 205 auszugeben, um das Sensorelement 203 zu heizen,
wobei die Signalverarbeitungseinrichtung 207 einen Eingang 211 aufweist, welcher eingerichtet ist, Messsignale zu empfangen, welche eine mittels des geheizten Sensorelements 203 gemessene physikalische Größe repräsentieren, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung 207 einen Prozessor 213 aufweist, welcher eingerichtet ist, basierend auf der gemessenen physikalischen Größe zu ermitteln, ob das Sensorelement 203 eine Verunreinigung 601, 701 aufweist oder frei von einer Verunreinigung 601, 701 ist,
wobei der Ausgang 209 eingerichtet ist, Ergebnissignale auszugeben, welche ein Ergebnis repräsentieren, welches angibt, ob das Sensorelement 203 eine Verunreinigung 601, 701 aufweist oder frei von einer Verunreinigung 601, 701 ist.

3 zeigt ein mikro-elektromechanisches Sensorelement 501. Das Sensorelement 501 ist zum Beispiel ein Drucksensor.
Das Sensorelement 501 ist auf einem Boden 502 eines Gehäuses 503 angeordnet.
Die Ansicht gemäß 3 und auch gemäß den 4 bis 6 ist eine Querschnittsansicht.
Zwei Seitenwände des Gehäuses 503, welche sich gegenüberliegen, sind mit den Bezugszeichen 505, 507 gekennzeichnet.
In dem Gehäuse 503 ist somit eine Kavität 509 gebildet, in welcher das Sensorelement 501 angeordnet ist.
Die Kavität 509 ist teilweise mit einer Schutzschicht 511 gefüllt, welche beispielsweise ein Gel umfassen kann.
Hierbei ist vorgesehen, dass die Schutzschicht 511 das Sensorelement 501 komplett bedeckt.
In der in 3 gezeigten Darstellung ist das Sensorelement 501 frei von einer Verunreinigung, insofern auf der Schutzschicht 511 keine Verunreinigung gebildet ist.
4 zeigt das Sensorelement 501 mit der Schutzschicht 511, wobei auf der Schutzschicht 511 Wasser 601 angeordnet ist.
Insofern weist das Sensorelement 501 eine Verunreinigung, vorliegend Wasser, auf.
5 zeigt das Sensorelement 501 umfassend die Schutzschicht 511, wobei auf der Schutzschicht 511 Staub 701 sich angelagert hat.
Insofern weist das Sensorelement 501 eine Verunreinigung, vorliegend der Staub 701, auf.
6 zeigt zusätzlich zu der in 3 gezeigten Darstellung eine Heizeinrichtung 800 umfassend mehrere Heizelemente.
Ein erstes Heizelement 801 ist an einer Innenfläche der linken Seitenwand (bezogen auf die Papierebene) 505 des Gehäuses 503 angeordnet.
Ein zweites Heizelement 803 ist gegenüberliegend an einer Innenfläche der rechten Gehäuseseitenwand 507 angeordnet.
Ein drittes Heizelement 805 ist zwischen dem Sensorelement 501 und dem Boden 502 des Gehäuses 503 angeordnet.
Ein viertes Heizelement 807 ist auf dem Sensorelement 501 angeordnet, also auf einer Seite des Sensorelements 501, welche dem Boden 502 abgewandt ist.
Weiter ist ein fünftes Heizelement 809 an einer Unterseite des Gehäuses 503 angeordnet. Die Unterseite 809 ist die Seite des Gehäuses 503, welche dem Boden 502 abgewandt ist.
7 zeigt einen Graphen 901.
Der Graph 901 umfasst eine x-Achse 903 und umfasst eine y-Achse 905.
Die x-Achse 903 gibt eine Zeit in willkürlichen Einheiten an.
Die y-Achse 905 gibt eine gemessene physikalische Größe des Sensorelements 501 in willkürlichen Einheiten an.
Sofern zum Beispiel das Sensorelement 501 ein Drucksensor ist, entspricht die gemessene physikalische Größe einem Druck.
In dem Graphen 901 sind drei Kurven eingezeichnet: eine erste Kurve 907, eine zweite Kurve 909 und eine dritte Kurve 911.
Die drei Kurven 907, 909, 911 zeigen ein zeitliches Ansprechverhalten eines dem gemessenen Druck entsprechendes Drucksignals des Sensorelements 501.
Dieses zeitliche Ansprechverhalten hängt insbesondere von den thermischen Umgebungsbedingungen und/oder von einem Wärmetransportverhalten des Sensorelements 501 ab.
Das heißt also, dass bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen sich das zeitliche Ansprechverhalten ändert.
So wurde also die erste Kurve 907 bei einer ersten Temperatur aufgenommen. Die zweite Kurve 909 wurde bei einer zweiten Temperatur aufgenommen. Die dritte Kurve 911 wurde bei einer dritten Temperatur aufgenommen. Diese Temperaturen repräsentieren eine Umgebungstemperatur des Sensorelements 501.
Hierbei ist die erste Temperatur größer als die zweite Temperatur. Die zweite Temperatur ist größer als die dritte Temperatur.
Auf der x-Achse 903 ist mit dem Bezugszeichen 913 eine erste Zeitkonstante für die erste Kurve 907 und ist eine zweite Zeitkonstante 915 für die zweite Kurve 909 und ist eine dritte Zeitkonstante 917 für die dritte Kurve 911 eingezeichnet.
Auf der y-Achse 905 ist eine erste Amplitude 919 für die erste Kurve 907 und ist eine zweite Amplitude 921 für die zweite Kurve 909 und ist eine dritte Amplitude 923 für die dritte Kurve 911 eingezeichnet. Die drei Amplituden 919, 921 und 923 sind relativ zu einem Offset 925 definiert.
Aufgrund der thermischen Abhängigkeit des zeitlichen Ansprechverhaltens sind die drei Zeitkonstanten und sind die drei Amplituden unterschiedlich.
Das zeitliche Ansprechverhalten ändert sich aber zusätzlich, wenn das Sensorelement, hier insbesondere die Schutzschicht 511, mit einer Verunreinigung versehen ist.
Sofern also das zeitliche Ansprechverhalten im sauberen Zustand bekannt ist, also wenn das Sensorelement frei von einer Verunreinigung ist, kann durch einen Vergleich von einer Druckmessung mit diesen Kurven 907, 909, 911 ermittelt werden, ob das Sensorelement 501 frei von einer Verunreinigung ist oder eine Verunreinigung aufweist.
Das hier beschriebene Konzept basiert unter anderem darauf, dass bei Kenntnis des Wärmetransportverhaltens eines Sensorelements bei einer internen Erwärmung eine Verunreinigung, insbesondere Wasser, auf dem Sensorelement, insbesondere auf der Schutzschichtoberfläche, insbesondere auf der Geloberfläche, detektiert werden kann, indem eine durch eine Verunreinigung veränderte Wärmeableitung dazu genutzt wird, um die Präsenz dieser Verunreinigung, insbesondere Belegung mit Wasser, zu detektieren. Dazu ist zum Beispiel vorgesehen, dass eine im Sensorelement integrierte oder in Nachbarschaft zum Sensorelement vorhandene Heizeinrichtung verwendet wird, um innerhalb einer definierten Zeit das Sensorelement und/oder seine Umgebung über seine aktuelle Temperatur hinaus aufzuheizen.
Gleichzeitig wird zum Beispiel eine Sensorelementtemperatur gemessen und insbesondere wird eine mittels des geheizten Sensorelements gemessene physikalische Größe gemessen, zum Beispiel einen Druck. Ein zeitliches Ansprechverhalten, insbesondere charakterisiert durch eine Zeitkonstante und eine Amplitude, des Sensorelementsignals, insbesondere des Drucksignals, hängt dabei insbesondere von den thermischen Umgebungsbedingungen ab.
Solange das Sensorelement, insbesondere die Schutzschicht, insbesondere die Geloberfläche, frei von einer Verunreinigung, also zum Beispiel sauber und trocken ist, ist die thermische Umgebung und das damit verbundene Ansprechverhalten immer gleich. Eine Belegung mit Wasser, allgemein einer Verunreinigung, bewirkt in diesem Fall eine zusätzliche Wärmekapazität und auch einen zusätzlichen thermischen Übergangswiderstand gegenüber einem initial sauberen und trockenen Zustand. Dies führt im thermischen Netzwerk zu einem geänderten zeitlichen Ansprechverhalten, welches zuvor gemessen wurde und als Referenz dient. Aus einer Differenz zwischen der Referenzmessung im sauberen und trockenen Zustand und einer späteren Messung kann somit in vorteilhafter Weise auf eine Belegung mit Wasser, allgemein Verunreinigung, geschlossen werden.
Zum Beispiel ist vorgesehen, aufgrund einer Unterscheidung verschiedener Verunreinigungen eine Reinigung und/oder eine Trocknung zu triggern.
Da sich die thermischen Eigenschaften unterschiedlicher Verunreinigungen, insbesondere Flüssigkeiten, zum Teil stark unterscheiden, ist es insbesondere via einer Quantifizierung des thermischen Ansprechverhaltens möglich, unterschiedliche Belegungen des Sensorelements zu unterscheiden. Stimmt zum Beispiel eine beobachtete Signatur (gemessene physikalische Größe) mit einer typische Signatur (physikalische Referenzgröße) einer Flüssigkeit überein, so kann ein Trocknungsschritt eingeleitet werden. Gleicht zum Beispiel die Signatur einer nicht-flüssigen Verunreinigung, so kann zum Beispiel ein Reinigungsschritt angestoßen werden.
Weiter können unterschiedliche Verunreinigungen unterschieden bzw. klassifiziert werden unter Zuhilfenahme einer weiteren Messgröße. Viele wasserdichte Endgeräte verfügen zum Beispiel über eine separate Erkennung eines Kontaktes mit Wasser, zum Beispiel zum Schutz der Ladeelektronik. Diese separate Erkennung ist die vorstehend bezeichnete separate Wassererkennungseinrichtung. Wird eine Verunreinigung des Sensorelements zusammen mit einer zusätzlichen Wasserkontamination, erkannt durch die separate Wassererkennungseinrichtung, erkannt, so ist es wahrscheinlich, dass es sich um Wasser auf dem Sensorelement handelt und insofern ist eine Trocknung angebracht. Fehlt dieses zusätzliche Signal, also das Wasserkontaktsignal, so liegt wahrscheinlich eher eine Verschmutzung anderer Art vor und eine Reinigung kann zum Beispiel angestoßen werden.

Claims

Verfahren zum Detektieren einer Verunreinigung (601, 701) eines mikro-elektromechanischen Sensorelements (203, 501), umfassend die folgenden Schritte: Ausgeben (101) von Heizsteuersignalen zum Steuern einer Heizeinrichtung (205), um das Sensorelement (203, 501) zu heizen, Empfangen (103) von Messsignalen, welche eine mittels des geheizten Sensorelements (203, 501) gemessene physikalische Größe repräsentieren, Ermitteln (105) basierend auf der gemessenen physikalischen Größe, ob das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist oder frei von einer Verunreinigung (601, 701) ist, in Abhängigkeit eines Vergleichs der thermischen Abhängigkeit des zeitlichen Ansprechverhaltens des Sensorelements (203, 501) mit einem bekannten Referenzverhalten in einem Zustand frei von einer Verunreinigung, Ausgeben (107) von Ergebnissignalen, welche ein Ergebnis repräsentieren, welches angibt, ob das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist oder frei von einer Verunreinigung (601, 701) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Temperatursignale empfangen werden, welche eine Sensorelementtemperatur und/oder eine Umgebungstemperatur des Sensorelements (203, 501) repräsentieren, wobei das Ermitteln, ob das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist oder frei von einer Verunreinigung (601, 701) ist, basierend auf den Temperatursignalen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Referenzsignale empfangen werden, welche eine physikalische Referenzgröße repräsentieren, wobei die physikalische Referenzgröße und die gemessene physikalische Größe eine gleiche physikalische Einheit aufweisen, wobei das Ermitteln, ob das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist oder frei von einer Verunreinigung (601, 701) ist, basierend auf der physikalischen Referenzgröße durchgeführt wird, wobei eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe von der physikalischen Referenzgröße ermittelt wird, wobei das Ermitteln, ob das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist oder frei von einer Verunreinigung (601, 701) ist, basierend auf der ermittelten Abweichung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei einem Ermitteln, dass das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist, ermittelt wird, welcher Art die Verunreinigung (601, 701) ist, wobei das Ergebnis zusätzlich die Art der Verunreinigung (601, 701) angibt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein Wasserkontaktsignal empfangen wird, welches einen erkannten Kontakt einer Umgebung des Sensorelements (203, 501) mit Wasser repräsentiert, das wobei das Ermitteln, welcher Art die Verunreinigung (601, 701) ist, ein Festlegen umfasst, dass die Art der Verunreinigung (601, 701) Wasser umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei bei einem Ermitteln, dass das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist, Steuersignale zum Steuern eines Verunreinigungsbeseitigungsprozesses ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 6 soweit rückbezogen auf Anspruch 4, wobei die Steuersignale basierend auf der ermittelten Art der Verunreinigung (601, 701) ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei, wenn die Verunreinigung (601, 701) Wasser und/oder ein Fluid und/oder einen Biofilm umfasst, die Steuersignale Trocknungsheizsteuersignale zum Steuern der Heizeinrichtung (205) umfassen, um das Sensorelement (203, 501) durch heizen zu trocknen, und/oder wobei, wenn die Verunreinigung (601, 701) Staub und/oder einen Festkörper und/oder einen Biofilm umfasst, die Steuersignale Reinigungssteuersignale zum Steuern einer Reinigungseinrichtung, um das Sensorelement (203, 501) zu reinigen.
Vorrichtung (201) zum Detektieren einer Verunreinigung (601, 701) eines mikro-elektromechanischen Sensorelements (203, 501), umfassend: ein mikro-elektromechanisches Sensorelement (203, 501), eine Heizeinrichtung (205), welche eingerichtet ist, das mikro-elektromechanische Sensorelement (203, 501) zu heizen, und eine Signalverarbeitungseinrichtung (207), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (207) einen Ausgang (209) aufweist, welcher eingerichtet ist, Heizsteuersignale zum Steuern der Heizeinrichtung (205) auszugeben, um das Sensorelement (203, 501) zu heizen, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (207) einen Eingang (211) aufweist, welcher eingerichtet ist, Messsignale zu empfangen, welche eine mittels des geheizten Sensorelements (203, 501) gemessene physikalische Größe repräsentieren, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (207) einen Prozessor (213) aufweist, welcher eingerichtet ist, basierend auf einem Vergleich der thermischen Abhängigkeit des zeitlichen Ansprechverhaltens der gemessenen physikalischen Größe mit einem bekannten Referenzverhalten in einem Zustand frei von einer Verunreinigung zu ermitteln, ob das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist oder frei von einer Verunreinigung (601, 701) ist, wobei der Ausgang (209) eingerichtet ist, Ergebnissignale auszugeben, welche ein Ergebnis repräsentieren, welches angibt, ob das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist oder frei von einer Verunreinigung (601, 701) ist.
Vorrichtung (201) nach Anspruch 9, das Sensorelement (203, 501) von einem Gerät umfasst ist, welches eine Wassererkennungseinrichtung umfasst, welche eingerichtet ist, einen Kontakt des Geräts mit Wasser zu erkennen und bei einem erkannten Kontakt des Geräts mit Wasser ein Wasserkontaktsignal auszugeben, wobei der Eingang (211) eingerichtet ist, das Wasserkontaktsignal zu empfangen, wobei der Prozessor (213) eingerichtet ist, das Ermitteln, welcher Art die Verunreinigung ist, abhängig davon durchzuführen, ob ein Wasserkontaktsignal empfangen wurde oder nicht.
Vorrichtung (201) nach Anspruch 9 oder 10, umfassend eine Verunreinigungsbeseitigungseinrichtung, welche eingerichtet ist, einen Verunreinigungsbeseitigungsprozess durchzuführen, wobei der Ausgang (209) eingerichtet ist, Steuersignale zum Steuern der Verunreinigungsbeseitigungseinrichtung auszugeben, um einen Verunreinigungsbeseitigungsprozess durchzuführen.
Vorrichtung (201) nach Anspruch 11, wobei die Verunreinigungsbeseitigungseinrichtung ein oder mehrere der folgenden umfasst: die Heizeinrichtung (205), ein Piezoelement zum Beaufschlagen des Sensorelements (203, 501) mit Schwingungen.
Vorrichtung (201) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, umfassend einen Speicher, in welchem eine physikalische Referenzgröße gespeichert ist, wobei die physikalische Referenzgröße und die gemessene physikalische Größe eine gleiche physikalische Einheit aufweisen, wobei der Eingang (211) eingerichtet ist, von dem Speicher Referenzsignale zu empfangen, welche die physikalische Referenzgröße repräsentieren, wobei der Prozessor (213) eingerichtet ist, das Ermitteln, ob das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist oder frei von einer Verunreinigung (601, 701) ist, basierend auf der physikalischen Referenzgröße durchzuführen, wobei der Prozessor (213) eingerichtet ist, eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe von der physikalischen Referenzgröße zu ermitteln, wobei der Prozessor (213) eingerichtet ist, das Ermitteln, ob das Sensorelement (203, 501) eine Verunreinigung (601, 701) aufweist oder frei von einer Verunreinigung (601, 701) ist, basierend auf der ermittelten Abweichung durchzuführen.