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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten eines Sensors hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung, wobei der Sensor ein Sensierelement zum Detektieren einer physikalischen Eingangsgröße und zum Umwandeln der physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal aufweist, wobei ein Umgebungsmedium des Sensors direkt oder indirekt auf das Sensierelement einwirkt.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Sensorsystem, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems.
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Stand der Technik
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Es sind verschiedenste Sensoren bekannt, bei denen ein Umgebungsmedium direkt oder indirekt mit einem Sensierelement wechselwirkt. Durch die Wechselwirkung mit dem Umgebungsmedium können sich aus dem Umgebungsmedium Ablagerungen auf dem Sensor und/oder auf dem Sensierelement bilden. So kann beispielsweise eine Flüssigkeitsablagerung zu einer Drift oder einem Offset führen und ein fehlerbehaftetes Signal hervorrufen. Dies kann bis zu einem nicht abgleichbaren Fehler und einem scheinbaren Betrieb des Sensors außerhalb des spezifizierten Bereichs führen.
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Bei Sensierelementen, die sensibel gegenüber Ablagerungen aus dem Umgebungsmedium sind, ist es bekannt, das Sensierelement in einem Schutzmedium, insbesondere einem Gel oder einem Öl, einzubetten. Allerdings können sich auch hier Ablagerungen bilden, die eine Messung des Sensors beeinträchtigen. Ablagerungen können sich beispielsweise an einer Grenzschicht zu dem Umgebungsmedium anlagern. Es ist auch möglich, dass sich Feuchtigkeit aus dem Umgebungsmedium in dem Schutzmedium anreichert und die Eigenschaften des Schutzmediums verändert.
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Daher sind - bei Sensoren mit oder ohne Schutzmedium - Methoden bekannt, mit denen Anlagerungen ermittelt werden können und der Sensor diesbezüglich bewertet werden kann.
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Die
US 2020/0033217 A1 offenbart einen Sensor mit Flüssigkeitsdetektion. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erzeugt ein Heizelement in dem Sensor Wärme und ein Temperatursensor erfasst die jeweils aktuelle Temperatur. Die Zeit bis zum Erreichen einer vordefinierten Temperatur wird erfasst und mit einer Referenzzeit verglichen. Abhängig von dem Vergleichsergebnis wird auf das Vorhandensein einer Flüssigkeit auf dem Sensor geschlossen. Problematisch an dieser Herangehensweise ist, dass Anwendungssituationen auftreten, bei denen die vordefinierte Temperatur erst nach sehr langer Zeit oder überhaupt nicht erreicht wird.
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In einigen Sensorsystemen werden Flüssigkeitsablagerungen durch zusätzliche Detektionseinrichtungen erkannt. Hierzu sei beispielhaft auf
US 2019/0383688 A1 und einzelne Ausführungsbeispiele der bereits genannten
US 2020/0033217 A1 verwiesen. Nachteilig an diesen Lösungen ist, dass durch Ergänzen derartiger Detektionseinrichtungen der Platzbedarf und die Kosten des Sensors steigen.
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Offenbarung der Erfindung
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In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bewerten eines Sensors hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung bereit, wobei der Sensor ein Sensierelement zum Detektieren einer physikalischen Eingangsgröße und zum Umwandeln der physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal aufweist, wobei ein Umgebungsmedium des Sensors direkt oder indirekt auf das Sensierelement einwirkt, umfassend die Schritte:
- • Einbringen von Wärmeenergie in den Sensor mittels eines Heizelements zum gezielten Erwärmen des Sensors,
- • Ermitteln eines Ist-Aufwärmverhaltens zumindest eines Teils des Sensors mittels mindestens einer Wärmedetektionseinheit, wobei das Ist-Aufwärmverhalten ein transientes Verhalten der Temperatur in Reaktion auf eingebrachte Wärmeenergie beschreibt,
- • Vergleichen des Ist-Aufwärmverhaltens mit einem Referenz-Aufwärmverhalten zum Erzeugen eines Abweichungsmaßes, wobei das Referenz-Aufwärmverhalten ein Aufwärmverhalten des Sensors ohne Ablagerung oder mit einer bekannten Ablagerung beschreibt, und
- • Bewerten des Sensors hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung basierend auf dem Abweichungsmaß.
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In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegenden Erfindung ein Sensorsystem bereit, mindestens umfassend:
- • einen Sensor mit einem Gehäuse und einem Sensierelement, wobei das Sensierelement zum Detektieren einer physikalischen Eingangsgröße und zum Umwandeln der physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal ausgebildet ist, wobei ein Umgebungsmedium des Sensors direkt oder indirekt auf das Sensierelement einwirkt,
- • ein Heizelement, das zum Einbringen von Wärmeenergie in den Sensor zum gezielten Erwärmen des Sensors ausgebildet ist,
- • eine Wärmedetektionseinheit, die zum Ermitteln eines Ist-Aufwärmverhaltens zumindest eines Teils des Sensors ausgebildet ist, wobei das Ist-Aufwärmverhalten ein transientes Verhalten der Temperatur in Reaktion auf die eingebrachte Wärmeenergie beschreibt,
- • eine Bewertungseinheit, die zum Vergleichen des Ist-Aufwärmverhaltens mit einem Referenz-Aufwärmverhalten zum Erzeugen eines Abweichungsmaßes und zum Bewerten des Sensors hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung basierend auf dem Abweichungsmaß ausgebildet ist, wobei das Referenz-Aufwärmverhalten ein Aufwärmverhalten des Sensors ohne Ablagerung oder mit einer bekannten Ablagerung beschreibt,
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In einer noch weiteren Ausführungsform stellt die vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems bereit, wobei eine physikalische Eingangsgröße erfasst und in ein elektrisches Sensorsignal umgewandelt wird, wobei ein Verfahren zum Bewerten des Zustands des Sensors vorzugsweise in regelmäßigen Zeitabständen automatisch und/oder ereignis-initiiert und/oder von einem Host-System initiiert durchgeführt wird.
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Wenn ein Umgebungsmedium - direkt oder indirekt - auf ein Sensierelement einwirkt, können sich aus diesem Umgebungsmedium Ablagerungen auf oder bei dem Sensierelement bilden. Diese Ablagerungen haben aufgrund der veränderten Wärmekapazität Auswirkungen auf ein Aufwärmverhalten des Sensors, wenn in den Sensor Wärmeenergie eingebracht wird. Wenn beispielsweise eine Ablagerung in Form einer Flüssigkeit vorhanden ist, kann sich der Sensor langsamer erwärmen als ein Sensor ohne Ablagerung, da die eingebrachte Wärmeenergie zusätzlich die Flüssigkeit erwärmt. Wenn beispielsweise eine Ablagerung in Form von Staub vorhanden ist, kann sich der Sensor schneller erwärmen als ein Sensor ohne Ablagerung, da die Ablagerung eine Abgabe von Wärme an das Umgebungsmedium beeinträchtigen kann. Diese Erkenntnis lässt sich für das Bewerten des Sensors hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung nutzen.
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Hierzu kann der Sensor durch Einbringen von Wärmeenergie mittels eines Heizelements gezielt erwärmt und mittels mindestens einer Wärmedetektionseinheit ein Ist-Aufwärmverhalten zumindest eines Teils des Sensors ermittelt werden. Dabei beschreibt das „Ist-Aufwärmverhalten“ ein transientes Verhalten der Temperatur in Reaktion auf eingebrachte Wärmeenergie, d.h. in welcher Weise sich die Temperatur an einem oder mehreren Orten innerhalb des Sensors in Reaktion auf die eingebrachte Wärmeenergie über die Zeit hinweg ändert. Dieses Ist-Aufwärmverhalten kann mit einem Referenz-Aufwärmverhalten verglichen und hierbei ein Abweichungsmaß erzeugt werden. Das Referenz-Aufwärmverhalten beschreibt ein Aufwärmverhalten des Sensors (oder eines vergleichbaren oder baugleichen Sensors) ohne Ablagerung oder mit einer bekannten Ablagerung. Basierend auf dem Abweichungsmaß kann der Sensor hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung bewertet werden.
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Das „Abweichungsmaß“ kann auf verschiedenste Weise gebildet sein. Allgemein kann das Abweichungsmaß angeben, wie „nahe“ ein Ist-Aufwärmverhalten an dem Referenz-Aufwärmverhalten liegt oder wie „weit“ das Ist-Aufwärmverhalten von einem Referenz-Aufwärmverhalten entfernt ist. Da das Referenz-Aufwärmverhalten das Aufwärmverhalten eines Sensors mit bekannter Ablagerung charakterisiert, beschreibt das Abweichungsmaß, wie nahe beziehungsweise wie weit entfernt ein aktuell untersuchter Sensor von diesem Referenz-Aufwärmverhalten entfernt ist beziehungsweise wie gut das Ist-Aufwärmverhalten zu dem Referenz-Aufwärmverhalten passt. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Anwesenheit und das Ausmaß einer eventuell vorhandenen Ablagerung ziehen.
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Ein „Umgebungsmedium“ ist ein Medium, das den Sensor umgibt und das auf das Sensierelement direkt oder indirekt einwirkt. Dies bedeutet üblicherweise, dass das Sensierelement nicht vollständig in einem Gehäuse gekapselt ist, sondern dass das Umgebungsmedium von außerhalb des Sensors an das Sensierelement gelangen kann, beispielsweise durch eine Öffnung in einem Gehäuse des Sensors. Ein direktes Einwirken des Umgebungsmediums kann bedeuten, dass das Umgebungsmedium in direktem Kontakt mit dem Sensierelement steht. Ein indirektes Einwirken des Umgebungsmediums kann bedeuten, dass das Sensierelement zwar eine physikalische Eingangsgröße aus dem Umgebungsmedium messen kann, beispielsweise einen Druck oder eine Temperatur, aber das Umgebungsmedium nicht in direktem Kontakt mit dem Sensierelement steht. Dies kann beispielsweise durch ein Schutzmedium oder eine Schutzbeschichtung erreicht werden. In einer Ausgestaltung umfasst das Umgebungsmedium Luft oder allgemein ein Gas. In einer anderen Ausgestaltung umfasst das Umgebungsmedium eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser. In der Praxis wird ein Umgebungsmedium nicht rein sein. So umfasst beispielsweise Luft üblicherweise ein Gasgemisch, verdunstete Flüssigkeiten, Staub und sonstige Partikel.
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„Ablagerungen“ können Flüssigkeiten (beispielsweise Wasser, Öl, Schweiß oder andere Körperflüssigkeiten), Feststoffe (beispielsweise Schmutz, Salz, Partikel oder Fasern), starre Strukturen (beispielsweise Biofilme) und/oder andere Stoffe/Strukturen umfassen. Dabei kann sich eine Ablagerung direkt aus dem Umgebungsmedium bilden, beispielsweise durch Kondensation von Feuchtigkeit. Es ist aber auch möglich, dass sich eine Ablagerung durch chemische und/oder biologische Prozesse aus dem Umgebungsmedium bildet. Meist bedeutet dies, dass sich eine Ablagerung aus einer anderen Ablagerung bildet. Eine Ablagerung kann lediglich temporär vorhanden sein. So kann eine aus dem Umgebungsmedium kondensierte Flüssigkeit wieder verdunsten. Eine Ablagerung kann aber auch dauerhaft vorhanden sein, das heißt es ist ein Reinigungsvorgang oder eine sonstige Maßnahme erforderlich, um die Ablagerung wieder zu entfernen.
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Das „Sensierelement“ kann auf verschiedenste Weise gebildet sein. Das Sensierelement sollte in der Lage sein, eine physikalische Eingangsgröße zu detektieren und ein elektrisches Sensorsignal auszugeben. Diese Eigenschaft weisen aber verschiedenste Sensierelemente auf, die verschiedenste Sensortechnologien nutzen. Entsprechend vielfältig kann die detektierte physikalische Eingangsgröße sein. In einer Ausführungsform ist das Sensierelement zum Messen eines Drucks ausgestaltet, sodass der Sensor ein Drucksensor ist. In einer anderen Ausführungsform ist das Sensierelement zum Messen verschiedener physikalischer Größen zum Kennzeichnen einer Umwelt ausgebildet, beispielsweise Druck, Kohlendioxidgehalt, Temperatur und/oder Luftfeuchtigkeit. In dieser Ausführungsform ist der Sensor ein Umweltsensor.
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Das „Heizelement“ kann auf verschiedenste Weise ausgebildet sein. Das Heizelement sollte in der Lage sein, Wärmeenergie in den Sensor einzubringen und dadurch den Sensor gezielt zu erwärmen. Dabei kann lediglich ein einzelnes Heizelement vorhanden sein. Es können jedoch auch mehrere Heizelemente gemeinsam den Sensor erwärmen. Da in dem zweitgenannten Fall die mehreren Heizelemente wie ein Heizelement wirken können, bedarf es an dieser Stelle keiner Unterscheidung der Anzahl von Heizelementen, sodass im Rahmen dieser Offenbarung ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einem Heizelement die Rede ist. In einer Ausgestaltung ist das Heizelement nahe einer Grenzfläche, an der sich eine Ablagerung bilden kann, angeordnet. Dies kann bedeuten, dass das Heizelement lediglich weniger als einen, einen oder wenige Millimeter von der Grenzfläche entfernt angeordnet ist. Dadurch kann das Heizelement besonders effektiv wirken. In einer Ausgestaltung ist das Heizelement derart ausgestaltet, dass eine möglichst gleichförmige Verteilung der eingebrachten Wärme innerhalb der Sensors erzielt wird. Auf diese Weise können sonst eventuell entstehende Temperaturgradienten ausgeglichen oder besser kontrolliert werden.
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Die „Wärmedetektionseinheit“ kann an verschiedenen Stellen des Sensorsystems positioniert sein, wobei sich Stellen innerhalb des Gehäuses des Sensors anbieten. Eine gewählte Stelle für die Wärmedetektionseinheit kann dann besonders günstig sein, wenn ein Messwert der Wärmedetektionseinheit repräsentativ für das ermittelte Ist-Aufwärmverhalten ist. In einer Ausführungsform ist die Wärmedetektionseinheit in einer Sensorelektronik des Sensors angeordnet. In einer anderen Ausführungsform ist die Wärmedetektionseinheit in oder bei dem Sensierelement angeordnet. In eine weiteren Ausführungsform ist die Wärmedetektionseinheit als eigenständiges Bauteil ausgebildet und in einem durch das Gehäuse des Sensors gebildeten Innenraum angeordnet.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
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In einer Ausführungsform wird zum Ermitteln des Ist-Aufwärmverhaltens durch die mindestens eine Wärmedetektionseinheit jeweils eine Temperatur gemessen, die nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne erreicht wird, wobei die vordefinierte Zeitspanne vorzugsweise kleiner oder gleich 15 Sekunden, besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 10 Sekunden, ganz besonders bevorzugter Weise kleiner oder gleich 8 Sekunden und vorzugsweise größer als 1 Sekunde, besonders bevorzugter Weise größer als 3 Sekunden, ganz besonders bevorzugter Weise größer als 5 Sekunden ist. Durch Messen einer Temperatur nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne kann erreicht werden, dass eine zuverlässige Messbedingung vorhanden ist. Bei einer vordefinierten Zeitspanne von kleiner oder gleich 15 Sekunden können auch Sensoren mit relativ hoher Wärmekapazität bewertet und/oder Heizelemente mit relativ niedriger Heizleistung verwendet werden. Bei einer vordefinierten Zeitspanne von kleiner oder gleich 10 Sekunden können die Prozesszeiten reduziert werden. Bei einer vordefinierten Zeitspanne von kleiner oder gleich 8 Sekunden lassen sich die Prozesszeit weiter reduzieren. Bei einer Zeitspanne von größer als 1 Sekunde lässt sich der Aufwärmvorgang gut beherrschen. Bei einer Zeitspanne von größer als 3 Sekunden kann die eingebrachte Wärmeleistung reduzieren. Bei einer Zeitspanne von größer als 5 Sekunden ist ein guter Kompromiss zwischen eingebrachte Leistung und Prozesszeit möglich.
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In einer Ausführungsform werden bei Nutzung mehrerer Wärmedetektionseinheiten mehrere Temperaturwerte gemessen und bei dem Ermitteln des Ist-Aufwärmverhaltens die mehreren Temperaturwerte kombiniert. Die Nutzung mehrerer Wärmedetektionseinheiten kann bedeuten, dass das Erwärmungsverhalten an verschiedenen Stellen innerhalb des Sensors bestimmt werden kann. Auf diese Weise kann gut auf Abweichungen des Aufwärmverhaltens durch Produktionsschwankungen eingegangen werden. Die mehreren Temperaturwerte können zeitgleich oder in einem engen Zeitfenster erfasst werden. Dadurch sind die mehreren Temperaturwerte untereinander vergleichbar und das zeitlich und/oder örtlich transiente Temperaturverhaltens des Sensors kann berücksichtigt werden. Ein Kombinieren der mehreren Temperaturwerte kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. In einer Ausführungsform kann ein Mittelwert über die gemessenen Temperaturwerte gebildet werden, wobei eine Entfernung der Wärmedetektionseinheit von dem Heizelement durch Gewichtung eines Temperaturwerts berücksichtigt werden kann. In einer anderen Ausführungsform können die Temperaturwerte einzeln in die Bestimmung des Abweichungsmaßes einfließen. Dies kann dazu führen, dass die Temperaturwerte als unabhängige Parameter in die Bestimmung des Abweichungsmaßes einfließen. In einer anderen Ausführungsform kann dies dazu führen, dass für jeden der mehreren Temperaturwerte ein Abweichungsmaß bestimmt wird und die dadurch entstehenden Abweichungsmaße gemittelt oder auf sonstige Weise kombiniert werden.
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In einer Ausführungsform ist das Referenz-Aufwärmverhalten bei einer Initialmessung, bei einer vorhergehenden Messung, bei einer Messung an einem baugleichen Sensor, bei einer Simulation und/oder durch eine Berechnung bestimmt worden. Das Nutzen einer Initialmessung, beispielsweise bei einer Endprüfung nach der Produktion des Sensors, bietet den Vorteil, dass ein Referenz-Aufwärmverhalten Exemplarstreuungen des jeweiligen Sensors berücksichtigt. Dieser Ansatz bietet sich insbesondere für das Bestimmen eines Referenz-Aufwärmverhalten ohne eine Ablagerung an. Die Nutzung einer vorhergehenden Messung erlaubt unmittelbar, eine Veränderung des Aufwärmverhaltens zu erkennen. Eine Messung an einem baugleichen Sensor kann eine Messung an einem individuellen Sensor vermeiden. Zudem kann der baugleiche Sensor gezielt mit einer Ablagerung versehen werden, selbst wenn diese Ablagerung zu einer Zerstörung dieses Sensors führen würde. Bei Nutzung einer Simulation kann auch für messtechnisch schwierig zugängliche Stellen ein Referenzwert ermittelt werden. Bei der allgemeinen Nutzung von Berechnungen kann das Referenz-Aufwärmverhalten aus anderen Messgrößen berechnet werden.
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In einer Ausführungsform weist der Sensor eine Sensorelektronik auf, die in dem Gehäuse angeordnet ist, und das Heizelement ist als Teil der Sensorelektronik ausgebildet. Auf diese Weise lässt sich das Heizelement produktionstechnisch einfach ausgestalten, da beispielsweise zusätzliche Installationsschritte oder aufwändige Verdrahtungen während der Produktion des Sensors entfallen können.
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In einer Ausführungsform ist das Heizelement als Teil des Sensierelements ausgebildet. Auf diese Weise kann das Heizelement näher an der Grenzschicht zum Umgebungsmedium positioniert sein, insbesondere bei Sensoren, bei denen das Sensierelement auf einer Sensorelektronik angeordnet ist. Dadurch kann das Aufwärmverhalten stärker von Ablagerungen beeinflusst und das Abweichungsmaß zuverlässiger und/oder genauer bestimmt werden. Gleichzeitig kann das Heizelement einen größeren Abstand zu Wärmeableitern, wie beispielsweise Lötflächen oder anderen metallischen Kontaktflächen, haben.
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In einer Ausführungsform ist das Heizelement als eigenständiges Bauelement in einem durch das Gehäuse umschlossenen Innenraum und/oder als Teil des Gehäuses ausgebildet. Auf diese Weise kann das Heizelement flexibel positioniert werden und beispielsweise näher an eine Grenzschicht zum dem Umgebungsmedium gebracht werden.
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In einer Ausführungsform ist das Heizelement durch eine leitfähige Struktur gebildet, wobei die leitfähige Struktur zum Einbringen von Wärmeenergie durch einen Heizstrom durchflossen ist, wobei die leitfähige Struktur vorzugsweise mäanderförmig ausgebildet ist und vorzugsweise durch einen metallischen Leiter und/oder durch einen dotierten Halbleiterbereich gebildet ist. In einer Ausführungsform ist die leitfähige Struktur Bestandteil eines Bauteils des Sensors bzw. des Sensorsystems, beispielsweise des Sensierelements oder einer Sensorelektronik. In einer anderen Ausführungsform ist die leitfähige Struktur auf einer Gehäusewandung oder einer sonstigen Wandung des Sensors angebracht. In einer weiteren Ausführungsform ist die leitfähige Struktur auf einer separaten Leiterplatte oder als freischwebende Struktur, beispielsweise als Heizwendel, ausgebildet. Damit kann die leitfähige Struktur optimal auf den Sensor angepasst werden. Durch Nutzung eines Heizstroms durch eine leitfähige Struktur lässt sich eine definierte Wärmeleistung einstellen, da Heizströme sehr gut steuer-/regelbar sind. Eine mäaderförmige leitfähige Struktur bietet den Vorteil, dass eine gleichförmige Wärmeabgabe über eine definierbare Fläche möglich ist. Eine durch einen metallischen Leiter gebildete leitfähige Struktur lässt sich meist leicht herstellen. Eine durch einen dotierten Halbleiterbereich gebildete leitfähige Struktur vereinfacht die Herstellung der leitfähigen Struktur in einem Halbleiter, insbesondere bei der Einbettung des Heizelements in einem Die.
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In einer Ausführungsform ist das Heizelement durch eine Spule gebildet, die zum Einbringen von Wärmeenergie durch einen Heizstrom durchflossen ist und/oder Wirbelströme in einem leitfähigen Körper, vorzugsweise einem Teil des Gehäuses, induziert. Eine derartige Spule kann auf verschiedenste Weise ausgebildet sein. In einer Ausführungsform ist die Spule auf einen Spulenkörper gewickelt. In einer anderen Ausführungsform ist die Spule als planare Spule ausgebildet. Dabei kann die planare Spule als Leiterstruktur auf einer Platine gebildet sein. In seiner Wirkung als Heizelement ist die Spule in einer Ausgestaltung durch einen Heizstrom durchflossen, der ein Umfeld der Spule direkt erwärmt. In einer anderen Ausgestaltung ist die Spule durch einen Wechselstrom durchflossen, der in einem leitfähigen Körper Wirbelströme hervorruft, die wiederum zu einer Erwärmung führen. Dabei kann der leitfähige Körper durch einen leitfähigen Teil des Gehäuses des Sensors gebildet sein. Beide Erwärmungseffekte können auch kombiniert werden, wodurch eine besonders effektive Einbringung von Wärmeenergie ermöglicht wird.
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In einer Ausführungsform ist die Wärmedetektionseinheit durch einen Temperatursensor oder eine Diode gebildet. Die Nutzung eines Temperatursensors ermöglicht zuverlässige und genaue Messungen der Temperatur. Die Nutzung einer Diode bietet eine besonders kostengünstige Temperaturmessung und eine besonders einfache Implementierung der Wärmedetektionseinheit auf einem Halbleiterbaustein. Dabei wird ausgenutzt, dass die Kennlinie einer Diode von der Temperatur abhängig ist.
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In einer Ausführungsform weist das Sensorsystem eine Auslöseeinheit und/oder eine Auslöseschnittstelle auf, wobei die Auslöseeinheit zum Ausgeben eines Auslösesignals und die Auslöseschnittstelle zum Empfangen eines Auslösesignals ausgebildet sind, wobei ein Auslösesignal das Heizelement zum Einbringen von Wärmeenergie, die Wärmedetektionseinheit zum Ermitteln des Ist-Aufwärmverhaltens und die Bewertungseinheit zum Bewerten des Sensors hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung veranlasst. Die Auslöseeinheit kann beispielsweise ein Teil einer Sensorelektronik sein, die eine Bewertung des Sensors anstößt. Eine Auslöseschnittstelle, die verschiedentlich ausgestaltet sein kann, kann beispielsweise eine Verbindung zu einem Host-System oder zu einem Testsystem ermöglichen. Wenn das Sensorsystem beispielsweise Bestandteil eines Smartphones ist, kann eine auf dem Smartphone laufende Softwarekomponente eine Bewertung des Sensors im laufenden Betrieb auslösen. Ein Testsystem kann bei einer Endkontrolle nach der Fertigung des Sensors ein Auslösesignal in die Auslöseschnittstelle eingeben und eine Bewertung des Sensors anstoßen. Dabei kann eine Steuereinheit vorhanden sein, die ein Auslösesignal empfängt und das Heizelement, die mindestens eine Wärmedetektionseinheit und die Bewertungseinheit geeignet ansteuert.
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In einer Ausführungsform umfasst das Sensierelement eine mikromechanische Sensorstruktur. Dadurch kann ein gut miniaturisierbares und dennoch präzise messendes Sensierelement erreicht werden. Entsprechende Sensierelemente, die für die Messung verschiedenster physikalischer Eingangsgrößen ausgebildet sind, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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In einer Ausführungsform ist das Sensierelement in einem Schutzmittel, vorzugsweise einem Öl oder einem Gel, eingebettet. Auf diese Weise kann ein Sensierelement zuverlässig vor schädlichen Einflüssen des Umgebungsmediums, beispielsweise Korrosion, Kurzschlüssen oder Verklebungen, geschützt werden. Geeignete Schutzmittel sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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In einer Ausführungsform kann ein durch das Gehäuse des Sensors umschlossener Innenraum durch eine Verjüngung und/oder eine Erhebung derart ausgebildet sein, dass ein für das Schutzmittel bereitgestelltes Volumen des Innenraums reduziert wird. Diese Ausführungsform kann insbesondere bei der Verwendung eines flüssigen Schutzmediums, beispielsweise eines Öls, eingesetzt werden. Schutzmittel dehnen sich üblicherweise bei steigenden Temperaturen aus. Diese thermischen Ausdehnungen können bei wechselnden Temperaturen zu Messfehlern führen. Dies trifft beispielsweise dann zu, wenn die thermische Ausdehnung durch eine ein Auslaufen des flüssigen Schutzmittels verhindernde Membran eingeschränkt ist. Durch Reduzierung des Volumens in dem Innenraum kann dieser Einfluss reduziert werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Figurenliste
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Schnittzeichnung durch eine Ausführungsform eines Sensors gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 eine schematische Darstellung eines ASICs mit Heizelement und Wärmedetektionseinheit;
- 3 ein Ablaufdiagramm mit Schritten einer Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 4 eine schematische Darstellung eines Sensierelements mit einem Heizelement;
- 5 ein Schnitt durch den ASIC gemäß 2 mit verschiedenen Anordnungen des Heizelements;
- 6 einen zeitlichen Verlauf eines Aufwärmverhaltens bei Einbringen von Wärmeenergie in den Sensor;
- 7 eine Kennlinie einer Diode in Abhängigkeit der Temperatur zur Nutzung als Wärmedetektionseinheit;
- 8 eine schematische Schnittzeichnung durch eine weitere Ausführungsform eines Sensors gemäß der vorliegenden Offenbarung und
- 9 eine schematische Schnittzeichnung durch eine noch weitere Ausführungsform eines Sensors gemäß der vorliegenden Offenbarung
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Schnittzeichnung durch einen Sensor 1 mit einem Sensierelement 2, das als Drucksensor ausgebildet ist. Das Sensierelement 2 ist in einem nach oben hin offenen Gehäuse 3 angeordnet und durch ein Schutzmittel 4, beispielsweise einem Gel, geschützt. Dadurch wirkt ein den Sensor 1 umgebendes Umgebungsmedium 5 indirekt auf das Sensierelement 2 ein und bewirkt in dem Sensierelement 2 ein von dem anliegenden Druck abhängiges elektrisches Sensorsignal. Das Sensierelement 2 ist auf einem ASIC - Application Specific Integrated Circuit - 6 angeordnet. In dem ASIC 6 können beispielsweise eine Sensorelektronik 7 und eine Bewertungseinheit 8 implementiert sein, die neben dem Sensor 1 selbst Bestandteil eines Sensorsystems 9 sind. Auf einer Grenzfläche 10 zu dem Umgebungsmedium 5 kann sich eine Ablagerung 11 bilden, die hier beispielhaft durch einen Wassertropfen dargestellt ist.
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Das Sensorsystem 9 umfasst zusätzlich ein Heizelement und mindestens eine Wärmedetektionseinheit (beides in 1 nicht eingezeichnet). In 2 ist eine mögliche Anordnung der beiden Komponenten in dem ASIC 6 dargestellt. Auf dem ASIC 6 sind verschiedene Schaltungen 12 ausgebildet, die funktionale Bereiche des ASICs 6 bilden und Bestandteil einer Sensorelektronik sein können. Zudem ist ein Heizelement 13 und eine Wärmedetektionseinheit 14 ausgebildet. Das Heizelement 13 kann eine leitfähige Struktur umfassen, die durch Leiterbahnen gebildet ist. Die Wärmedetektionseinheit 14 kann beispielsweise durch eine Diode gebildet sein. Die genaue Position und Ausformung des Heizelements 13 ergibt sich aus den Anforderungen an das Sensorsystem und lässt sich auf vielfältige Weise umsetzen.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Schritten einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Bewerten eines Sensors, wie es beim Betrieb eines Sensors gemäß 1 genutzt werden kann. In Schritt S1 wird mittels des Heizelements 13 Wärmeenergie in den Sensor 1 eingebracht und der Sensor 1 damit gezielt erwärmt. In Schritt S2 wird ein Ist-Aufwärmverhalten zumindest eines Teils des Sensors 1 ermittelt. Hierzu erfasst die Wärmedetektionseinheit 14 eine Temperatur, wodurch ein transientes Verhalten der Temperatur in Reaktion auf die eingebrachte Wärmeenergie bestimmt werden kann. In Schritt S3 wird das Ist-Aufwärmverhalten mit einem Referenz-Aufwärmverhalten vergleichen und dabei ein Abweichungsmaß gebildet. In Schritt S4 wird der Sensor 1 unter Nutzung des Abweichungsmaßes hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung bewertet.
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4 zeigt eine Ausführungsform, bei der das Heizelement 13 als Teil des Sensierelements 2 ausgebildet ist. Das Sensierelement 2 umfasst eine mikromechanische Sensorstruktur 15, die die eigentliche Messung des Sensors 1 durchführt. Da derartige mikromechanische Sensorstrukturen häufig auf Halbleiter-Dies aufgebaut sind, lässt sich ein Heizelement 13 durch entsprechend dotierte Halbleiterbereiche ausbilden. In 4 ist das Heizelement 13 beispielhaft an zwei Seiten der mikromechanischen Sensorstruktur 15 angeordnet, wobei jeder Teil des Heizelements 13 durch eine mäanderförmige leitfähige Struktur gebildet ist. Die konkrete Umsetzung kann entsprechend der Anforderungen des Sensorsystems variieren.
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5 zeigt einen Schnitt durch den ASIC 6 entlang der Linie A - A aus 2. Auch wenn bei dem Schnitt - streng genommen - die einzelnen Schaltungen 12 und das Heizelement 13 nicht sichtbar wären, sind sie in 5 für die nähere Diskussion der relativen Anordnungen dennoch dargestellt. In 5A sind die Schaltungen 12 und das Heizelement 13 in derselben Ebene angeordnet, wobei die Schaltungen 12 und das Heizelement 13 jeweils mit der Oberfläche 16 des ASICs 6 abschließen. In den 5B und 5C sind die Schaltungen 12 identisch zu denen aus 5A angeordnet. Allerdings ist das Heizelement 13 in 5B in dem ASIC vergraben und in 5C auf der Oberfläche 16 angeordnet. Alle diese Anordnungen des Heizelements 13 lassen sich im Rahmen der vorliegenden Offenbarung nutzen. Auch wenn 5 den ASIC 6 darstellt, gelten die möglichen Anordnungen des Heizelements 13 für das Sensierelement 2 gemäß 4 entsprechend, also eine Anordnung an der Oberfläche, eine vergrabene Anordnung und eine Anordnung auf der Oberfläche. Die genaue vertikale Position des Heizelements 13 ergibt sich aus den Anforderungen an das Sensorsystem und lässt sich auf vielfältige Weise umsetzen, insbesondere im Hinblick auf die verfügbaren Schichten innerhalb eines ASIC.
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6 zeigt beispielhafte zeitliche Verläufe der Temperatur, die durch die Wärmedetektionseinheit 14 in Reaktion auf die durch das Heizelement 13 eingebrachte Wärmeenergie erfasst werden können. Dabei ist in 6 die Temperaturdifferenz bezüglich der Umgebungstemperatur über der Zeit aufgetragen. Die oberste Kurve, die mit einer durchgezogenen Linie dargestellt ist, zeigt ein Aufwärmverhalten eines Sensors 1, auf dem keine Ablagerung vorhanden ist. Es ist zu erkennen, dass sich die Temperatur zu Beginn des Aufheizens rasch erhöht und sich nach gewisser Zeit asymptotisch einem Wert annähert. Die mittlere Kurve, die gestrichelt eingezeichnet ist und das Aufwärmverhalten eines Sensors mit einer mäßigen Wasserablagerung wiedergibt, steigt zu Beginn ebenfalls rasch an, flacht aber früher ab als die oberste Kurve. Die unterste Kurve, die punktiert eingezeichnet ist, stellt den Fall mit einer starken Wasserablagerung dar. Diese Kurve flacht noch früher ab als die mittlere Kurve. Auch wenn die Endtemperatur in allen drei Fällen voneinander abweicht, bieten sich für die vorliegende Offenbarung die Zeitpunkte zwischen 3 Sekunden und 20 Sekunden besonders an, da dort die Unterschiede der Temperaturen besonders ausgeprägt sind. In 6 ist eine vordefinierte Zeitspanne TA bei 8 Sekunden gewählt. Dabei liegt die Temperaturdifferenz ohne Wasserablagerung nach der vordefinierten Zeitspanne TA bei circa 20,1 K, mit mäßiger Wasserablagerung bei circa 19,5 K und bei starker Wasserablagerung bei circa 19,2 K. Im Rahmen des hier offenbarten Verfahrens kann ein Referenz-Aufwärmverhalten durch einen Sensor ohne Ablagerung gegeben sein. Nach Ablauf der Zeitspanne TA sollte ein untersuchter Sensor die Temperaturdifferenz 20,1 K erreicht haben. Je weiter bei dem untersuchten Sensor die gemessene Temperaturdifferenz von der Soll-Temperaturdifferenz abweicht, umso mehr Wasser dürfte sich auf dem Sensor abgelagert haben. Es kann auch ein anderes Referenz-Aufwärmverhalten genutzt werden, beispielsweise das für eine starke Wasserablagerung. Ein Ist-Aufwärmverhalten kann auch mit mehreren Referenz-Aufwärmverhalten verglichen werden, um eine genauere Bewertung des Sensors erhalten zu können.
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7 zeigt eine Kennlinie einer Diode in Abhängigkeit der Temperatur. Bei Betrieb in Durchlassrichtung fließt durch die Diode bei niedrigen Spannungen UF kein Strom ID. Erst bei Erreichen einer bestimmten Spannung beginnt ein Strom ID zu fließen, der mit zunehmender Spannung UF stark ansteigt. Die Spannung, ab der die Diode zu leiten beginnt, hängt von der Temperatur ab. Die mittlere Kurve - durchgezogene Linie - stellt die Kennlinie der Diode bei einer Temperatur von 25°C dar. Die rechte Kurve - gestrichelte Linie - zeigt die Kennlinie bei einer Temperatur von -50°C. Die linke Kurve - strichpunktierte Linie - zeigt die Kennlinie bei einer Temperatur von 100°C. Diese Abweichungen können im Rahmen der vorliegenden Offenbarung genutzt werden, um eine Temperatur zu messen. Damit ist eine Diode als Wärmedetektionseinheit 14 nutzbar.
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Die 8 und 9 zeigen weitere Ausführungsformen eines Sensors gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Sensor 1 weist ein Gehäuse 3 auf, das zusammen mit einem Substrat 17 einen Innenraum 18 begrenzt. Der Innenraum 18 weist eine Verjüngung 19 auf, die das Volumen des Innenraums 18 reduziert. Der Innenraum 18 ist durch ein flüssiges Schutzmittel 4 ausgefüllt und nach oben hin durch eine Membran 20 abgeschlossen. Auf dem Substrat 17 ist ein ASIC 6 und auf dem ASIC 6 ein Sensierelement 2 angeordnet, das als Drucksensor ausgebildet ist und eine mikromechanische Sensorstruktur umfasst. Ein Heizelement 13 ist mit dem ASIC 6 verbunden und wird durch dieses mit einem Heizstrom beaufschlagt. Die beiden 8 und 9 unterscheiden sich durch die Anordnung und Ausgestaltung des Heizelements 13. In 8 ist das Heizelement 13 durch einen frei im Innenraum 18 positionierten Heizwendel 21, in 9 durch eine Planarspule 22 ausgebildet, die sich auf der der Membran 20 zugewandten Seite der Verjüngung 19 befindet. Diese Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass das Heizelement 13 näher an der Grenzfläche 10 angeordnet ist und damit effektiver wirken kann. Die Anordnung gemäß 9 würde sich auch dann anbieten, wenn das Heizelement 13 durch eine mäanderförmig ausgebildete leitfähige Struktur auf einer Leiterplatte gebildet ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2020/0033217 A1 [0006, 0007]
- US 2019/0383688 A1 [0007]
