-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors.
-
Drucksensoren mit mikroelektromechanischen Strukturen (MEMS) zur kapazitiven Messung eines Drucks sind aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise werden derartige Drucksensoren vorwiegend in einem Druckbereich von 300 bis 1100 mBar verwendet. Ein Drucksensor kann beispielsweise in einem Druckbereich dahingehend optimiert werden, dass seine Sensitivität erhöht wird, wodurch geringere Änderungen eines Umgebungsdrucks erfasst werden können. Dies kann beispielsweise eine Stockwerkerkennungen im Rahmen einer innerräumlichen Navigation ermöglichen.
-
Bei gewissen Anwendungen kann jedoch auch ein höherer Druck wirken, beispielsweise dann, wenn temporär Druckspitzen auftreten. Ein Beispiel hierfür sind sogenannte Im-Ohr-Kopfhörer mit einem integriertem Drucksensor, welche ins Ohr gesteckt werden und dabei kurzzeitig keinen Druckausgleich ermöglichen. Dadurch kann der Drucksensor eines solchen Kopfhörers beispielsweise dazu verwendet werden, um zu erkennen, ob sich ein Kopfhörer im Ohr befindet, damit beispielsweise Musik gestartet werden kann.
-
Einen weiteren Einsatzbereich stellen Tauchcomputer dar, deren Drucksensoren während eines Tauchgangs auch höhere Druckbereiche abdecken müssen. Bei Tauchgängen wirken auch größere Druckänderungen als an Luft. In diesem Fall kann eine geringe Sensitivität eines Drucksensors akzeptiert werden als in einem Umgebungsdruckbereich. Es ist bekannt, eine Mehrzahl von Drucksensoren für unterschiedliche Druckbereiche zu verwenden.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten Drucksensor bereitzustellen und ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors anzugeben. Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Ein Drucksensor umfasst mindestens ein mikromechanisches Sensorelement mit mindestens einer drucksensitiven Membran. Die Membran überspannt einen Hohlraum in einem Basismaterial und weist eine Membranelektrode auf. Zumindest eine feststehende Gegenelektrode ist innerhalb des Hohlraums angeordnet und bildet zusammen mit der Membranelektrode eine erste Messkapazität zum Erfassen eines ersten Messdrucks. Zumindest eine Referenzkapazität ist innerhalb des Hohlraums angeordnet und umfasst mindestens eine erste und eine zweite feststehende Referenzelektrode. Der Drucksensor ist dadurch gekennzeichnet, dass er in mindestens einem ersten Betriebsmodus betreibbar ist, in dem die erste Messkapazität und die erste Referenzkapazität in einer ersten Brückenschaltung verschaltet sind und, dass der Drucksensor in mindestens einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, in dem die Membranelektrode, die Gegenelektrode und die Referenzelektroden so miteinander verschaltet sind, dass die Membranelektrode zusammen mit der mindestens einen ersten Referenzelektrode eine zweite Messkapazität zum Erfassen eines zweiten Messdrucks bildet.
-
Dem Drucksensor liegt der Gedanke einer Messbereichserweiterung zugrunde. Die Messbereichserweiterung kann vorteilhafterweise dadurch realisiert werden, dass der Drucksensor in zwei Betriebsmodi betreibbar ist, die sich hinsichtlich einer elektrischen Verschaltung der Komponenten des Drucksensors voneinander unterscheiden, wodurch unterschiedliche Messkapazitäten, beispielsweise in verschiedenen Messdruckbereichen, verwendet werden können. Die Messkapazitäten können direkt ausgelesen werden. Der Vorteil hierbei liegt darin, dass keine Änderungen am mikromechanischen Sensorelement notwendig sind. Lediglich die Verschaltung zur anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (englisch application specific integrated circuit, ASIC) des Drucksensors, auf der das mikromechanische Sensorelement angeordnet ist, bzw. Schaltstrukturen im ASIC, müssen geändert oder hinzugefügt werden.
-
In einer Ausführungsform ist der Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebsmodus einem ersten Messdruckbereich zugeordnet ist und der zweite Betriebsmodus einem zweiten Messdruckbereich zugeordnet ist. Der erste Betriebsmodus kann beispielsweise im Bereich von Umgebungsdruckbedingungen verwendet werden. Der zweite Betriebsmodus kann beispielsweise für höhere Drücke vorgesehen sein als der erste Betriebsmodus.
-
In einer Ausführungsform ist der Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass die Membran und die Gegenelektrode so ausgelegt und angeordnet sind, dass die erste Messkapazität im ersten Betriebsmodus messdruckabhängig ist und im zweiten Betriebsmodus messdruckunabhängig ist. Die Membran und die mindestens eine erste Referenzelektrode sind so ausgelegt und angeordnet, dass die zweite Messkapazität im zweiten Betriebsmodus messdruckabhängig ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Membranelektrode ab einem gewissen Druck auf der Gegenelektrode aufliegt, wodurch die erste Messkapazität kurzgeschlossen wird. Die zweite Messkapazität wird dann dadurch ausgebildet, dass das mikromechanische Sensorelement im Falle eines Kurzschlusses neu verschaltet und betrieben wird.
-
In einer Ausführungsform ist der Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass Schaltungsmittel zum ansteuerbaren Umschalten zwischen den Betriebsmodi des Drucksensors vorgesehen sind. Das Umschalten der Betriebsmodi kann beispielsweise durch einzelne Schalter bzw. einen Multiplexer realisiert sein. Diese sind typischerweise auf dem ASIC realisiert.
-
In einer Ausführungsform ist der Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel dazu eingerichtet sind, in Abhängigkeit vom erfassten ersten Messdruck und/oder vom erfassten zweiten Messdruck zwischen den Betriebsmodi des Drucksensors umzuschalten.
-
In einer Ausführungsform ist der Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel dazu eingerichtet sind, in vorgebbaren zeitlichen Intervallen zwischen den Betriebsmodi des Drucksensors umzuschalten. Vorteilhafterweise können dadurch Messwerte beider Messkapazitäten dazu verwendet werden, um ein effizientes Umschalten in einen aktuell bevorzugten Betriebsmodus zu ermöglichen. Beispielsweise kann der erste Betriebsmodus grundsätzlich aktiviert sein. Der zweite Betriebsmodus wird jedoch mit einer gewissen Frequenz aktiviert. Dadurch stehen beide Messkapazitäten zur Plausibilisierung eines Messdruckbereichs, zum Umschalten zwischen den Messdruckbereichen und zur Fehlerdiagnose zur Verfügung.
-
In einer Ausführungsform ist der Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Betriebsmodus zwischen der Membranelektrode und der mindestens einen ersten Referenzelektrode eine Versorgungsspannung anliegt und zwischen der Gegenelektrode und der mindestens einen zweiten Referenzelektrode ein Abgriff der Brückenschaltung ausgebildet ist. Im zweiten Betriebsmodus liegt die Versorgungsspannung an der Membranelektrode und an der Gegenelektrode an und die mindestens eine erste Referenzelektrode fungiert als Messabgriff. Bei der Versorgungsspannung kann es sich beispielsweise um ein periodisches Signal handeln, wie zum Beispiel ein Rechtecksignal. Der Abgriff bzw. Messabgriff ist an eine Auswerteschaltung angeschlossen.
-
In einer Ausführungsform ist der Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus die Gegenelektrode und die mindestens eine zweite Referenzelektrode kurzgeschlossen sind. Dadurch kann die zweite Referenzelektrode auch mit der Membranelektrode bzw. mit der Membran kurzgeschlossen sein. Dadurch wird die Ausbildung eines Herz'schen Dipols im Bereich der zweiten Messkapazität vermieden. Vorteilhafterweise kann dadurch ein störender Einfluss auf die zweite Messkapazität und auf andere Elemente, wie etwa elektrische Zuleitungen, im zweiten Betriebsmodus des Drucksensors reduziert werden.
-
In einer Ausführungsform ist der Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebsmodus die zweite Messkapazität mit mindestens einer Hochdruck-Referenzkapazität in einer zweiten Brückenschaltung verschaltet ist. Vorteilhafterweise kann der Drucksensor dadurch im zweiten Messdruckbereich eine höhere Genauigkeit und eine geringere Anfälligkeit für Störeffekte wie Rauschen oder Temperaturänderungen aufweisen.
-
In einer Ausführungsform ist der Drucksensor dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Sensorelement mindestens zwei Sensorstrukturen mit jeweils einer drucksensitiven Membran umfasst, die einen Hohlraum im Basismaterial überspannt. Jede Sensorstruktur ist mit mindestens einer ersten Messkapazität zum Erfassen eines ersten Messdrucks und mit einer Referenzkapazität ausgestattet. Im ersten Betriebsmodus sind die ersten Messkapazitäten und die Referenzkapazitäten der mindestens zwei Sensorstrukturen in einer ersten Vollbrückenschaltung verschaltet, so dass der erste Messdruck differentiell erfassbar ist. Im zweiten Betriebsmodus sind die Membranelektroden, die Gegenelektroden und die Referenzelektroden jeder der mindestens zwei Sensorstrukturen so miteinander verschaltet, dass die Membranelektroden jeweils zusammen mit der mindestens einen Referenzelektrode jeweils eine zweite Messkapazität zum Erfassen eines zweiten Messdrucks bilden. Im Gegensatz zu bereits bekannten Ansätzen mit mehreren separaten Sensorstrukturen, ist der Drucksensor platzspatend ausgebildet und kostengünstig in der Herstellung.
-
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors gemäß einer der Ausführungsformen sind die einzelnen Betriebsmodi des Drucksensors definierten Druckbereichen zugeordnet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass der zu erfassende Messdruck überwacht wird, indem der erste Messdruck und/oder der zweiter Messdruck erfasst und ausgewertet werden, dass ein aktuell bevorzugter Betriebsmodus des Drucksensors in Abhängigkeit von der Auswertung des erfassten Messdrucks identifiziert wird und, dass ein Umschalten in den aktuell bevorzugten Betriebsmodus erfolgt, wenn sich der Drucksensor aktuell in einem anderen als dem bevorzugten Betriebsmodus befindet.
-
Bei der Messdruckauswertung wird in der Regel nicht nur der aktuelle Druckmesswert berücksichtigt, sondern auch ein über eine vorbestimmte Zeitdauer gemittelter Druckwert. Dadurch kann vorteilhafterweise ein zu häufiges Umschalten zwischen den Betriebsmodi vermieden werden, beispielsweise wenn der zu erfassende Druck in einem Bereich zwischen dem erstem und zweitem Messdruckbereich liegt. Ebenso kann die Umschaltung mit einer Hysterese realisiert werden. Dabei erfolgt die Umschaltung vom einem der Druckbereiche in den jeweiligen anderen bei Über- oder Unterschreiten eines bestimmten ersten Druckwertes, das Umschalten in die umgekehrte Richtung jedoch bei Über- oder Unterschreiten eines bestimmten zweiten Druckwertes, der vom ersten Druckwert abweicht. Auch dadurch kann ein zu häufiges Umschalten vermieden werden.
-
In einer Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wenn zwischen der Membranelektrode und der Gegenelektrode der ersten Messkapazität ein Kurzschluss vorliegt und dass ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus des Drucksensors in Abhängigkeit davon erfolgt, ob zwischen der Membranelektrode und der Gegenelektrode der ersten Messkapazität ein Kurzschluss vorliegt.
-
In einer Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass in vorgebbaren Zeitintervallen zwischen den einzelnen Betriebsmodi des Drucksensors umgeschaltet wird, und dass der dann erfasste erst Messdruck bzw. zweite Messdruck im Hinblick auf eine Funktionsüberwachung des Drucksensors und/oder eine Plausibilisierung der Druckmessungen ausgewertet wird. Vorteilhafterweise kann durch die Funktionsüberwachung ein Membranbruch, Ablagerungen auf der Membran, Blockierungen der Membran oder eine Unterbrechung in einer elektrischen Zuleitung detektiert werden.
-
Im Folgenden werden der Drucksensor und das Verfahren zum Betreiben eines Drucksensors anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: ein beispielhaftes mikromechanisches Sensorelement eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform in einer Querschnittsansicht;
- 2: eine elektrische Verschaltung des mikromechanischen Sensorelements der 1 in einem ersten Betriebsmodus;
- 3: das mikromechanische Sensorelement der 1 in einem zweiten Betriebsmodus;
- 4: eine elektrische Verschaltung einer zweiten Messkapazität des mikromechanischen Sensorelements im zweiten Betriebsmodus;
- 5: einen beispielhaften Drucksensor;
- 6: Bestandteile eines beispielhaften Drucksensors gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer Vollbrückenschaltung;
- 7: eine beispielhafte elektrische Verschaltung von zweiten Messkapazitäten eines mikromechanischen Sensorelements mit zwei Sensorstrukturen im zweiten Betriebsmodus;
- 8: die elektrische Verschaltung der 7, wobei die Sensorstrukturen jeweils mit einer Hochdruck-Referenzkapazität in einer Halbbrückenschaltung verbunden sind; und
- 9: Verfahrensschritte eines Verfahrens zum Betreiben eines Drucksensors.
-
1 zeigt schematisch ein beispielhaftes mikromechanisches Sensorelement 1 eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform in einer Querschnittsansicht. Der Drucksensor kann auch eine Mehrzahl von mikromechanischen Sensorelementen 1 aufweisen. Das mikromechanische Sensorelement 1 kann beispielsweise mittels bekannten Methoden der Halbleiterfertigung hergestellt werden.
-
Das mikromechanische Sensorelement 1 weist ein Basismaterial 2 und mindestens eine Membran 3 auf. Das Basismaterial 2 und die Membran 3 können beispielsweise ein Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, aufweisen. Die Membran überspannt einen Hohlraum 4 im Basismaterial 2. Die Membran 2 ist drucksensitiv ausgebildet und unter einer Veränderung eines Umgebungsdrucks auslenkbar.
-
Die Membran 3 weist eine Membranelektrode 5 auf. Die Membranelektrode 5 ist beispielhaft innerhalb des Hohlraums 4 angeordnet und stempelförmig ausgebildet. Die Membranelektrode 5 kann aber auch anders ausgebildet sein. Die Membranelektrode 5 kann beispielsweise flächig ausgebildet und innerhalb des Hohlraums 4 an der Membran 3 angeordnet sein. Die Membranelektrode 5 kann auch zumindest durch einen Teil der Membran 3 selbst gebildet werden. In diesem Fall entfällt die in 1 gezeigte stempelartige Struktur und die erste Messkapazität 7 wird durch den zumindest einen Teil der Membran 3, der die Membranelektrode 5 bildet, und die Gegenelektrode 6 gebildet. Zumindest eine feststehende Gegenelektrode 6 ist innerhalb des Hohlraums 4 angeordnet und bildet zusammen mit der Membranelektrode 5 eine erste Messkapazität 7 zum Erfassen eines ersten Messdrucks. Durch die Membranelektrode 5 kann die Membran 3 einen flexiblen Bereich 8 und einen steifen Bereich 9 aufweisen. Auf diese Weise können die elastischen Eigenschaften der Membran 3 vorteilhafterweise modifiziert und angepasst werden.
-
Im Hohlraum 4 ist eine Referenzkapazität 10 angeordnet. Die Referenzkapazität 10 umfasst mindestens eine erste feststehende Referenzelektrode 11 und eine zweite feststehende Referenzelektrode 12. In der beispielhaften Ausführungsform der 1 ist zusätzlich eine weitere Referenzkapazität 13 mit einer weiteren ersten feststehenden Referenzelektrode 14 und einer weiteren zweiten feststehenden Referenzelektrode 15 innerhalb des Hohlraums 4 angeordnet, die jedoch auch entfallen kann. Die erste Messkapazität 7 und die Referenzkapazität 10 sind in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet, wodurch sie denselben Umwelteinflüssen, beispielsweise Temperaturänderungen, ausgesetzt sind.
-
Der Drucksensor ist in mindestens einem ersten und mindestens in einem zweiten Betriebsmodus betreibbar. Der erste und der zweite Betriebsmodus unterscheiden sich hinsichtlich einer Verschaltung der Elektroden 3, 5, 6, 11, 12, 14, 15 des mikromechanischen Sensorelements 1. Zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi sind die Elektroden 3, 5, 6, 11, 12, 14, 15 jeweils mit Anschlüssen 16, 17, 18 elektrisch verbunden. Die Membran 3 bzw. die Membranelektrode 5 ist mit einem ersten Anschluss 16 verbunden. Die zumindest eine erste Referenzelektrode 11 ist mit einem zweiten Anschluss 17 verbunden. Die Gegenelektrode und die zumindest eine zweite Referenzelektrode 12 sind mit einem dritten Anschluss 18 verbunden. Die Anschlüsse 16, 17, 18 können beispielsweise durch in 1 nicht dargestellte Schaltungsmittel, die zum ansteuerbaren Umschalten zwischen den Betriebsmodi des Drucksensors vorgesehen sind, entsprechend einem gewünschten Betriebsmodus mit einer in 1 nicht dargestellten Steuerung und einer nicht dargestellten Auswerteschaltung elektrisch verbunden werden.
-
2 zeigt schematisch eine elektrische Verschaltung des mikromechanischen Sensorelements 1 im ersten Betriebsmodus. Der erste Betriebsmodus kann beispielsweise einem definierten ersten Messdruckbereich zugeordnet sein, beispielsweise einem Druckbereich im Bereich von 300 bis 1100 mBar, was jedoch nicht notwendig ist. Die im Rahmen dieser Beschreibung angegebenen Druckwerte und Druckbereiche sind lediglich als beispielhafte Werte zu verstehen.
-
Im ersten Betriebsmodus kann beispielsweise zwischen der Membranelektrode 5 und der mindestens einen ersten Referenzelektrode 11 eine Versorgungsspannung, beispielsweise bereitgestellt von einer Steuerung 20, über den ersten Anschluss 16 und den zweiten Anschluss 17 angelegt werden, während zwischen der Gegenelektrode 6 und der mindestens einen zweiten Referenzelektrode 12 ein Abgriff 19 einer Brückenschaltung, in der die erste Messkapazität 7 und die Referenzkapazität 10 verschaltet sind, ausgebildet ist. Der Abgriff 19 an der Halbbrücke ist mit dem dritten Anschluss 18 verbunden. Über den dritten Anschluss 18 kann das mikromechanische Sensorelement 1 ausgelesen werden.
-
3 zeigt schematisch das mikromechanische Sensorelement 1 der 1 in einer Querschnittsansicht, während der Drucksensor im zweiten Betriebsmodus betrieben wird. Der zweite Betriebsmodus kann beispielsweise einem definierten zweiten Messdruckbereich zugeordnet sein, etwa einem Hochdruckbereich, beispielsweise einem Druckbereich über 1100 mBar. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
-
Im zweiten Betriebsmodus sind die Membranelektrode 5, die Gegenelektrode 6 und die Referenzelektroden 11, 12 so miteinander verschaltet, dass die Membranelektrode 5 zusammen mit der mindestens einen ersten Referenzelektrode 11 eine zweite Messkapazität 21 zum Erfassen eines zweiten Messdrucks bildet. Dabei bildet zumindest ein Abschnitt der Membranelektrode 5 zusammen mit der ersten Referenzelektrode 11 die zweite Messkapazität 21. Beispielsweise kann insbesondere ein Abschnitt der Membranelektrode 5, der in einer Variante ein Abschnitt der Membran 3 sein kann, innerhalb des flexiblen Bereichs 8 der Membran 3 zusammen mit der ersten Referenzelektrode 11 die zweite Messkapazität 21 bilden, wie dies in 3 beispielhaft angedeutet ist. In der beispielhaften Ausführungsform des mikromechanischen Sensorelements 1 der 3 mit der weiteren Referenzkapazität 13 bildet die Membranelektrode 5 die zweite Messkapazität 21 auch mit der weiteren ersten Referenzelektrode 14. In diesem Fall entsprechen die zwischen der Membran 3 und den Referenzelektroden 11, 14 angedeuteten Kapazitäten jeweils einer Hälfte einer Gesamtkapazität, die die zweite Messkapazität 21 bildet.
-
Im zweiten Betriebsmodus kann die Versorgungsspannung beispielsweise an der Membranelektrode 5 und an der Gegenelektrode 6 anliegen bzw. am ersten Anschluss 16 und am dritten Anschluss 18, während die mindestens eine erste Referenzelektrode 11 und optional die weitere erste Referenzelektrode 14 als Messabgriff fungiert bzw. mit dem zweiten Anschluss 17 elektrisch verbunden ist.
-
Die Membran 3 und die Gegenelektrode 6 können so ausgelegt und angeordnet sein, dass die erste Messkapazität 7 im ersten Betriebsmodus messdruckabhängig ist und im zweiten Betriebsmodus messdruckunabhängig ist. Im zweiten Betriebsmodus können die Membran 3 und die mindestens eine erste Referenzelektrode 11 so ausgelegt und angeordnet sein, dass die zweite Messkapazität 21 im zweiten Betriebsmodus messdruckabhängig ist. Dadurch liegt eine Begrenzung eines Messdruckbereichs im ersten Betriebsmodus, beispielsweise eines hochauflösenden Niederdruckmessbereiches des mikromechanischen Sensorelements 1, vor.
-
Dies kann im mikromechanischen Sensorelement 1 beispielsweise dadurch realisiert sein, dass die Membranelektrode 5 und die Gegenelektrode 6 miteinander kurzgeschlossen werden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass ein Umgebungsdruck derart steigt, dass die Membran so weit ausgelenkt wird, bis die Membranelektrode 5 in Kontakt mit der Gegenelektrode 6 kommt. 3 veranschaulicht eine Verbiegung der Membran 3 derart, dass die Membranelektrode 5 mit der Gegenelektrode 6 kurzgeschlossen ist. Die erste Messkapazität 21 ist dadurch messdruckunabhängig. Da die Membran 3 trotz des Kurzschlusses immer noch drucksensitiv ist, kann die zweite Messkapazität 21 zum Messen eines Umgebungsdrucks im Rahmen des zweiten Betriebsmodus herangezogen werden. Durch das Verwenden der zweiten Messkapazität 21 im zweiten Betriebsmodus kann ein Messbereich des Drucksensors erweitert werden, auch wenn beispielsweise eine Sensitivität im zweiten Messdruckbereich niedriger ist als im ersten Messdruckbereich, allerdings sind Genauigkeitsanforderungen im Hochdruckbereich auch deutlich geringer.
-
Im zweiten Betriebsmodus können die Membran 3 und die mindestens eine erste Referenzelektrode 11 auch so ausgelegt und angeordnet sein, dass die zweite Messkapazität 21 im zweiten Betriebsmodus messdruckabhängig ist, ohne dass ein Kurzschluss zwischen der Membranelektrode 5 und der Gegenelektrode 6 vorliegt. Es kann beispielsweise genügen, dass die Membranelektrode 5 an der Gegenelektrode 6 lediglich anliegt, ohne dass ein elektrischer Kurzschluss vorliegt. Um einen Kurzschluss zu vermeiden können die Membranelektrode 5 und/oder die Gegenelektrode 6 mit einem isolierenden Material beschichtet sein.
-
Das Kurzschließen oder Aufliegen der Membranelektrode 5 mit bzw. an der Gegenelektrode 6 kann beispielsweise über eine Auswertung eines Messsignales festgestellt werden. Allgemein kann das Kurzschließen oder das Aufliegen der Elektroden 5, 6 der ersten Messkapazität mit zusätzlichen Mechanismen genau bestimmt werden, z. B. dem Schließen eines elektrischen Kontakts, um einen Übergangsbereich genau festlegen zu können und damit die Auswerteschaltung oder zu unterstützen. Alternativ kann der Übergang zum Kurzschluss bzw. zum Aufliegen auch dadurch erfasst werden, dass ein Kurzschlusszustand oder ein Auflagezustand beschrieben wird. Hierfür kann beispielsweise eine Kalibrierung vor einer Inbetriebnahme des Drucksensors erfolgen, um einen Zusammenhang zwischen Umgebungsdruck und Parametern wie beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit usw. zu bestimmen, wodurch beschrieben werden kann, in welchem Druckbereich ein Kurzschluss bei einem mikromechanischen Sensorelement 1 erfolgt, bzw. in welchem Druckbereich es zum Aufliegen der Membranelektrode 5 an der Gegenelektrode 6 kommt.
-
4 zeigt schematisch eine elektrische Verschaltung der zweiten Messkapazität 21 des mikromechanischen Sensorelements 1 im zweiten Betriebsmodus.
-
Die in 4 gezeigte zweite Messkapazität 21 ist mit dem ersten Anschluss 16 und mit dem zweiten Anschluss 17 verbunden. Am ersten Anschluss 16 kann im zweiten Betriebsmodus beispielsweise eine Versorgungsspannung angelegt werden, während die zweite Messkapazität 21 über den zweiten Anschluss mit der Auswerteschaltung verbunden sein kann.
-
4 zeigt zusätzlich, dass im zweiten Betriebsmodus die zweite Messkapazität 21 mit mindestens einer Hochdruck-Referenzkapazität 22 in einer zweiten Brückenschaltung verschaltet ist. Die Hochdruck-Referenzkapazität 22 bietet die oben genannten Vorteile. Die Hochdruck-Referenzkapazität 22 kann sowohl Bestandteil des mikromechanischen Sensorelements 1 als auch zusammen mit dem mikromechanischen Sensorelement 1 auf einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) des Drucksensors angeordnet sein. Die Hochdruck-Referenzkapazität 22 kann jedoch auch entfallen, in diesem Fall entfällt auch der dritte Anschluss 18.
-
5 zeigt schematisch einen beispielhaften Drucksensor 23 gemäß einer möglichen Ausführungsform. Der Drucksensor 23 weist das mikromechanische Sensorelement 1 und bei der in 5 gezeigten Variante des Drucksensors 23 eine Steuerung 20, Schaltungsmittel 24 und eine Auswerteschaltung 25 auf.
-
Die Schaltungsmittel 24 sind dazu eingerichtet, beispielsweise in Abhängigkeit von einem mittels der ersten Messkapazität 7 erfassten ersten Messdruck und/oder von einem mittels der zweiten Messkapazität 21 erfassten zweiten Messdruck, zwischen den Betriebsmodi des Drucksensors 23 umzuschalten. Bei den Schaltungsmitteln 24 kann es sich um eine Mehrzahl von Schaltern handeln, die als Multiplexer ausgebildet sein können. Im ersten Betriebsmodus sind der erste und der zweite Anschluss 16, 17 mit der Steuerung 20 und der dritte Anschluss 18 mit der Auswerteschaltung 25. Im zweiten Betriebsmodus sind der erste Anschluss 16 und der dritte Anschluss 18 mit der Steuerung 20 und der zweite Anschluss 17 mit der Auswerteschaltung 25 verbunden. Die Schaltungsmittel 24 können dazu eingerichtet sein, in vorgebbaren zeitlichen Intervallen zwischen den Betriebsmodi des Drucksensors 23 umzuschalten.
-
Die Steuerung 20 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, ein periodisches Signal, beispielsweise ein Rechtecksignal, als Versorgungsspannung bereitzustellen. Über die Schaltungsmittel 24 wird die Versorgungsspannung entsprechend einem Betriebsmodus über den ersten und den zweiten Anschluss 16, 17 oder über ersten Anschluss 16 und den dritten Anschluss 18 eingespeist. Die Auswerteschaltung 25 kann einen Verstärker und/oder einen Analog-Digital Wandler aufweisen. Die Auswerteschaltung 25 ist dazu ausgebildet, eine Ausgangsspannung zu erfassen, auszuwerten und einen analogen oder digitalen Messwert bereitzustellen, der auf Basis der ersten Messkapazität 7 oder der zweiten Messkapazität 21 gemessen wurde.
-
Der Drucksensor 23 ist nicht auf die in 1 bis 5 gezeigten Topologien beschränkt. 6 zeigt schematisch Bestandteile eines beispielhaften Drucksensors 23 gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einem mikromechanischen Sensorelement 1, das im ersten Betriebsmodus eine Vollbrückenschaltung aufweist.
-
Der Drucksensor 23 umfasst ein mikromechanisches Sensorelement 1, das zumindest zwei Sensorstrukturen 26, 27 mit jeweils einer drucksensitiven Membran 3 aufweist, die einen gemeinsamen Hohlraum 4 im Basismaterial 2 überspannt. Jede Sensorstruktur 26, 27 ist mit mindestens einer ersten Messkapazität 7, 28 zum Erfassen jeweils eines ersten Messdrucks und mit einer Referenzkapazität 10, 29 ausgestattet. Im ersten Betriebsmodus sind die ersten Messkapazitäten 7, 28 und die Referenzkapazitäten 10, 29 der mindestens zwei Sensorstrukturen 26, 27 gemäß 6 in einer ersten Vollbrückenschaltung verschaltet, so dass der erste Messdruck differentiell erfassbar ist. Jede Sensorstruktur 26, 27 bildet eine Halbbrücke. Es ist vorteilhaft, eine Vollbrückenschaltung im Drucksensor 23 kompakt umzusetzen und nicht in Form von zwei separaten Halbbrückenschaltungen.
-
Die zweite Sensorstruktur 27 kann im ersten Betriebsmodus, wie in 6 beispielhaft gezeigt, über einen vierten Anschluss 30 und einen fünften Anschluss 31 mit der Steuerung 20 verbunden sein, während die erste Sensorstruktur 26 über den ersten und den zweiten Anschluss 16, 17 mit der Steuerung 20 verbunden ist. Zwischen der Gegenelektrode 6 und der zweiten Referenzelektrode 12 der zweiten Sensorstruktur 27 ist ein weiterer Abgriff 32 ausgebildet, der in diesem Fall über einen sechsten Anschluss 33 der zweiten Sensorstruktur 27 mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung 25 verbunden ist. Die erste Sensorstruktur 26 ist über den dritten Anschluss 18 mit der Auswerteschaltung 25 verbunden. Die beiden ersten Messkapazitäten 7, 28 sind in diesem Beispiel gegenphasig angetrieben. Sie könnten auch gleichphasig angetrieben werden - in diesem Fall wären die erste Messkapazität 28 und die Referenzkapazität 29 der zweiten Sensorstruktur 27 im Vergleich zur Anordnung der 6 miteinander vertauscht.
Die Verschaltung, insbesondere mit der Steuerung 20, kann dabei beispielsweise über das Schaltungsmittel 24 gemäß 5 realisiert werden.
-
7 zeigt schematisch eine beispielhafte elektrische Verschaltung von zweiten Messkapazitäten 21, 34 eines mikromechanischen Sensorelements 1 mit zwei Sensorstrukturen 26, 27 im zweiten Betriebsmodus.
-
Im zweiten Betriebsmodus sind die Membranelektroden 5, die Gegenelektroden 6 und die Referenzelektroden jeder der mindestens zwei Sensorstrukturen 26, 27 so miteinander verschaltet, dass die Membranelektroden 5 zusammen mit der jeweils mindestens einen Referenzelektrode 11 jeweils eine zweite Messkapazität 21, 34 zum Erfassen eines zweiten Messdrucks bilden. Hieraus ergeben sich zwei Kapazitäten, beispielsweise Hochdruckkapazitäten, die differentiell ausgelesen werden können. Die zweiten Messkapazitäten 21, 34 sind gemäß 7 beispielhaft separat und an verschiedenen Polen mit der Steuerung 20 und separat mit der Auswerteschaltung 25 verbunden, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Schaltungsmittel 24 sind in 7 der Einfachheit halber nicht gezeigt.
-
Wie im Ausführungsbeispiel der 4 gezeigt, können auch in diesem Fall im zweiten Betriebsmodus die zweiten Messkapazität 21, 34 mit jeweils mindestens einer Hochdruck-Referenzkapazität 22 in einer zweiten Brückenschaltung verschaltet sein, so dass eine differentiell auslesbare Vollbrücke entsteht. 8 zeigt dies schematisch für eine beispielhafte Verschaltung für den Fall eines mikromechanischen Sensorelements 1 mit zwei Sensorstrukturen 26, 27 im zweiten Betriebsmodus. Die Sensorstrukturen 26, 27 sind jeweils mit einer Hochdruck-Referenzkapazität 22 in einer Halbbrückenschaltung verbunden, wobei die Halbbrücken die als Vollbrückenschaltung ausgebildete zweite Brückenschaltung bilden.
-
Der zweite Anschluss 17 und der fünfte Anschluss 31 sind im zweiten Betriebsmodus zum Auslesen einer Ausgangsspannung vorgesehen. Hierzu sind der zweite Anschluss und der fünfte Anschluss 34 jeweils mit einem Abgriff an den Halbbrücken jeweils zwischen der Sensorstruktur 26, 27 und der Hochdruck-Referenzkapazität 22 verbunden. Die Abgriffe an den Halbbrücken sind beispielsweise mit der Auswerteschaltung 24 verbindbar. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 9 können die Sensorstrukturen 26, 27 mit ihren übrigen Anschlüssen 16, 18, 30, 33 mit der Steuerung verbunden sein.
-
9 zeigt schematisch Verfahrensschritte 36, 37, 38 eines Verfahrens 35 zum Betreiben eines Drucksensors 23 gemäß einer Ausführungsform. Beim Verfahren 35 sind die einzelnen Betriebsmodi des Drucksensors 23 definierten Druckbereichen zugeordnet.
-
In einem ersten Verfahrensschritt 36 wird der zu erfassende Messdruck überwacht, indem der erste Messdruck und/oder der zweiter Messdruck erfasst und ausgewertet werden. In einem zweiten Verfahrensschritt 37 wird ein aktuell bevorzugter Betriebsmodus des Drucksensors 23 in Abhängigkeit von der Auswertung des erfassten Messdrucks identifiziert wird. Im Rahmen eines dritten Verfahrensschritts 38 erfolgt ein Umschalten in den aktuell bevorzugten Betriebsmodus, wenn sich der Drucksensor 23 aktuell in einem anderen als dem bevorzugten Betriebsmodus befindet. Nach dem Umschalten in den aktuell bevorzugten Betriebsmodus können die Verfahrensschritte 36, 37, 38 wiederholt werden.
-
Der Drucksensor 23 kann beispielsweise im zweiten Betriebsmodus betrieben werden, wenn zwischen der Membranelektrode 5 und der Gegenelektrode 6 einer ersten Messkapazität 7, 28 ein Kurzschluss vorliegt. Ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus des Drucksensors 23 kann beispielsweise in Abhängigkeit davon erfolgen, ob zwischen der Membranelektrode 5 und der Gegenelektrode 6 einer ersten Messkapazität 7, 28 ein Kurzschluss vorliegt. Beim Verfahren 35 kann beispielsweise in vorgebbaren Zeitintervallen zwischen den einzelnen Betriebsmodi des Drucksensors umgeschaltet werden. Der erfasste erste Messdruck bzw. zweite Messdruck kann im Hinblick auf eine Funktionsüberwachung des Drucksensors 23 und/oder eine Plausibilisierung der Druckmessungen ausgewertet werden.
