DE19532764C2

DE19532764C2 - Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung

Info

Publication number: DE19532764C2
Application number: DE19532764A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Yamamoto; Toru Araki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-12-26
Filing date: 1995-09-05
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2015-09-06
Also published as: JPH08178951A; JP3274034B2; US5612488A; DE19532764A1

Description

Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtungen werden in vielen Bereichen zur Erfassung von Vibrationen und Beschleunigungen eingesetzt. Bekanntermaßen ist eine dünne Membran auf einem Erfassungsstab an einer im wesentlichen zentralen Stelle angeordnet, und Belastungsmeßwiderstände mit Halbleiter-Piezowiderstands-Eigenschaften sind auf der Membran ausgebildet, wobei das eine Ende des Erfassungsstabs auf einem Trägerelement befestigt ist, während das andere Ende unbefestigt ist. Der Widerstand der Belastungsmeßwiderstände verändert sich in Abhängigkeit von der ausgeübten Kraft, so daß die ausgeübte Kraft ermittelt werden kann.

Fig. 6 zeigt eine Teilschnittansicht einer bekannten Halbleiter beschleunigungserfassungseinrichtung gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführung.

In Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 19 eine Grundplatte aus einem Metall wie beispielsweise Kovar, die als Grundplatte für ein Gehäuse (Baustein, Bauelement) dient. Die Grundplatte 19 umfaßt (beispielsweise 8) Durchgangslöcher 19a, in welche jeweils Anschlußstifte 20 eingesetzt und mit geschmolzenem hartem Glas darin befestigt sind, so daß hierdurch elektrische Kontaktverbinungen zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Außenseite gebildet werden, und die Anschlußstifte 20 elektrisch gegenüber der Grundplatte 19 mittels des harten Glases isoliert sind.

Ein integrierter Hybridbaustein 21 (Hybrid-IC) ist auf der Grundplatte 19 befestigt. Ein Beschleunigungserfassungsstab ist auf dem Substrat der integrierten Hybridschaltung 21 mittels einer Stütze 22 angeordnet. Der Beschleunigungs erfassungsstab 21 ist beispielsweise aus einem p-dotierten Siliziumeinkristall in der Weise ausgebildet, daß beide Enden des Stabs 23 dicker sind als der mittlere Teil und eines der Enden des Stabs 23 mittels der Stütze 22 befestigt und das andere Ende unbefestigt ist. Eine Membran 24 ist durch Abmagern des mittleren Teils des Stabs 23 gebildet. Die p-Verunreinigungen wie beispielsweise Bor sind der Membran 24 durch Thermodiffusion oder Ionenimplantation zur Ausbildung von Widerständen in Form von Belastungsmeßwider ständen 25 mit Piezowiderstandseigenschaften zugeführt. Die Belastungsmeßwiderstände sind zur Bildung einer vollständigen Brückenschaltung in entsprechender Weise miteinander verbunden, wobei die Verbindungen unter Verwendung von Diffusionszwischenverbindungen auf der Oberfläche des Stabs oder unter Verwendung von auf der Oberfläche des Stabs abgelagerten Aluminiumzwischen verbindungen mittels Aufdampftechnik gebildet werden.

Da das zur Stütze 22 entgegengesetzte Ende des Beschleunigungserfassungsstabs 23 unbefestigt ist, unterliegt die Membran 24 bei Einwirkung einer Beschleunigung einer mechanischen Belastung. Infolgedessen verändern sich die Widerstandswerte der Belastungsmeßwiderstände 25 in Abhängigkeit von der Stärke der einwirkenden Beschleunigung. Wird daher eine Spannung in geeigneter Weise an die Brückenschaltung angelegt, dann bildet sich eine unsymmetrische Spannung zwischen den Ausgangsanschlüssen der Brückenschaltung in Abhängigkeit von der Stärke der Beschleunigung aus. Auf diese Weise kann die Beschleunigung erfaßt werden.

Im allgemeinen ist dabei die Größe des erfaßten Beschleunigungssignals sehr klein und das Beschleunigungssignal wird daher mittels eines Ausgangsverstärkers 26, der ebenfalls eine Diagnoseschaltung umfaßt, verstärkt, wobei der Ausgangsverstärker 26 auf dem Beschleunigungserfassungsstab 23 in einem Bereich in der Nähe des befestigten Endes angeordnet ist. Das vom Ausgangsverstärker 26 abgegebene Beschleunigungssignal wird mittels feiner Gold- oder Aluminiumdrähte 27 zur integrierten Hybridschaltung 21, die Dickfilmwiderstände zur Anpassung der Empfindlichkeit und einer Vorspannung aufweist, übertragen. Nach einer Anpassung bzw. Einstellung der Empfindlichkeit und der Vorspannung wird das Beschleunigungssignal von der integrierten Hybridschaltung 21 zu einem Anschlußstift 20 mittels eines Gold- oder Aluminiumdrahts 28 gesendet, so daß das Beschleunigungssignal zu einer externen Schaltung oder einem externen System wie beispielsweise einem Mikrocomputer übertragen wird.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung sind die Belastungsmeßwiderstände im Bereich der Membran 24 angeordnet, die dünner und daher weicher in ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit ist im Vergleich zu den dickeren Teilen im Bereich des befestigten und des unbefestigten Endes. Wenn nun aus unbekannten Gründen eine starke Kraft auf die Halbleiterbeschleunigungs erfassungseinrichtung einwirkt, dann besteht die große Gefahr, daß die Membran 24 bricht. Eine derartige Kraft bzw. ein derartiger Laststoß kann ferner auch das Auftrennen der Verbindungen im aus den Belastungsmeßwiderständen gebildeten Sensorteil bewirken. In einem weniger problematischen Fall kann der Laststoß eine Änderung im Referenzwiderstand der Belastungsmeßwiderstände oder einen Fehler im Ausgangs verstärker verursachen, so daß hierdurch ein Meßfehler auftreten kann.

Zur Erfassung derartiger Fehler weist die vorgeschlagene Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung eine Diagnoseschaltung auf zur Überprüfung, ob sich die Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung in einem normalen Zustand ohne Fehler befindet, indem bewertet wird, wie die Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung auf ein Quasi-Beschleunigungssignal reagiert, das periodisch an die Belastungsmeßwiderstände in Abhängigkeit von einem Zeitsteuerungssignal angelegt wird.

Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Beispiels des vorgeschlagenen Ausgangsverstärkers mit einer Diagnoseschaltung zur Verwendung in einer Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung.

In Fig. 7 bezeichnen die Bezugszeichen 1 bis 4 die Belastungsmeßwiderstände, die auf der Oberfläche der Membran 24 im dünnen Bereich des Beschleunigungssensorstabs 23 angeordnet sind und als Beschleunigungssensorteil wirken, wobei jeder Widerstand 1 bis 4 jeweils denselben Widerstandswert Rs aufweist und mittels dieser Widerstände 1 bis 4 eine Brückenschaltung gebildet ist. Der Verbindungsknoten zwischen den Widerständen 1 und 3 ist mit einer Leistungsversorgung Vcc verbunden, und der Verbindungsknoten zwischen den Widerständen 2 und 4 ist mit Masse GND verbunden. Die Verbindungsknoten zwischen den Widerständen 1 und 2 und der Verbindungsknoten zwischen den Widerständen 3 und 4 dienen als Ausgangsanschlüsse. Die Ausgangsspannung entsprechend der Stärke der Beschleunigung wird zwischen diesen Ausgangsanschlüssen erhalten.

In Fig. 7 bezeichnen ferner die Bezugszeichen 5 bis 7 einen ersten bis dritten Operationsverstärker, die zusammen einen Differenzverstärker mit einer hohen Eingangsimpedanz bilden, wobei der Differenzverstärker als Ausgangsverstärker dient und mit den Ausgangsanschlüssen der vorstehend beschriebenen Brückenschaltung zur Verstärkung des Beschleunigungssignals verbunden ist.

Der nicht invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 5 ist mit dem Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 1 und 2, und der invertierende Eingang ist über einen Rückkopplungswiderstand 8 mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 5 verbunden.

Der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 ist mit dem Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4, und der invertierende Eingang ist über einen Rückkopplungswiderstand 9 mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 6 verbunden.

Ferner ist der invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers 7 über einen Widerstand 10 mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 5, und der nicht invertierende Eingang über einen Widerstand 11 mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 6 verbunden. Desweiteren ist der Ausgang des dritten Operationsverstärkers 7 über einen Rückkopplungswiderstand 12 mit seinem invertierenden Eingang verbunden, und sein nicht invertierender Eingang ist ebenfalls über einen Widerstand 13 mit der Vorspannung (Referenzspannung) VR verbunden, die erhalten wird durch Teilung der Leistungsversorgungsspannung Vcc unter Verwendung der Reihenschaltung der Widerstände 14 und 15 zwischen der Leistungsversorgung Vcc und Masse.

Bezugszeichen 17 bezeichnet eine Konstantstromquelle, die zwischen Masse und dem Knoten (des nicht invertierenden Eingangs des zweiten Operationsverstärkers 6) zur Verbindung des Widerstands 3 mit dem Widerstand 4 der vorstehend beschriebenen Brückenschaltung angeordnet ist. Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Schalter zur Bewirkung eines Stroms durch den Belastungsmeßwiderstand 3 in Richtung des Masseanschlusses GND über die Konstantstromquelle 17, so daß die an den nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 angelegte Spannung vermindert und dabei ein Quasi-Beschleunigungssignal gebildet wird.

Der zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 5 angeordnete Rückkopplungs widerstand 8 wird derart eingestellt, daß sein Widerstandswert gleich dem parallelen äquivalenten Widerstand der Belastungsmeßwiderstände 1 und 2 ist, so daß die Eingangsimpedanz des invertierenden Eingangs des ersten Operationsverstärkers 5 gleich der Eingangsimpedanz des nicht invertierenden Eingangs ist.

Der zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 geschaltete Rückkopplungs widerstand 9 ist derart eingestellt, daß sein Widerstandswert gleich dem parallelen äquivalenten Widerstandswert der Belastungsmeßwiderstände 3 und 4 ist, so daß die Eingangsimpedanz am invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 gleich der Eingangsimpedanz am nicht invertierenden Eingang ist.

Ferner sind die Widerstände 10 und 11 derart eingestellt, daß deren Widerstandswerte gleich sind, und die Widerstände 12 und 13 werden ebenfalls auf gleiche Widerstandswerte eingestellt, so daß trotz der hohen Ausgangsimpedanz der aus den Belastungsmeßwiderständen bestehenden Brückenschaltung das Ausgangssignal an den dritten Operationsverstärker 7 nach einer Umwandlung der hohen Ausgangsimpedanz in eine niedrige Impedanz angelegt wird, wobei der Differenzverstärker präzise ohne Beeinflussung durch die hohe Impedanz betrieben werden kann.

Somit bildet der dritte Operationsverstärker 7 eine Ausgangsspannung Vout, die gemäß der folgenden Gleichung angegeben werden kann:

V_out = -(R₁₂/R₁₀) (V₁-V₂) + V_R (1)

wobei V₁ die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers 5 ist, V₂ die Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers 6 ist und R₁₀ und R₁₂ jeweils die Widerstandswerte der Widerstandswerte der Widerstände 10 und 12 sind. Wie aus Gleichung (1) hervorgeht, wird die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 durch Multiplizieren der Differenz zwischen den Ausgangsspannungen der ersten und zweiten Operationsverstärker 5 und 6 (V₁-V₂) mit einem Verhältnis des Widerstands 10 zum Widerstand 12 (R₁₂/R₁₀) durch die invertierende Verstärkung erhalten, wobei die Ausgangsspannung ebenfalls eine Vorspannung VR enthält. Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 die Stärke der Beschleunigung kennzeichnet.

Der Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4, der als Ausgangsanschluß der Brückenschaltung dient, ist mit der Konstantstromquelle 17 und dem Schalter 18 verbunden, so daß bei Einschalten des Schalters 18 in Abhängigkeit von dem zu vorbestimmten Intervallen ausgegebenen Zeitsteuerungssignal ein konstanter Strom I der Brückenschaltung zugeführt wird.

Wird der Schalter 18 eingeschaltet, dann wird die Brückenschaltung unsymmetrisch und zwischen dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 5 und dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 wird eine Spannung ΔV = -(I × R_S)/2 gebildet. Diese Spannung ΔV wirkt als Quasi- Beschleunigungssignal zur Simulation eines tatsächlichen durch Einwirken einer Beschleunigung entstehenden Beschleunigungssignals.

Wird dabei angenommen, daß die Spannung der Leistungsversorgung Vcc ebenfalls definiert ist, die Spannung des Verbindungsknotens zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4 (die Spannung des nicht invertierenden Eingangs des zweiten Operationsverstärkers 6) gleich Vo ist, und der von der Leistungsversorgung Vcc zum Masseanschluß GND über die Belastungsmeßwiderstände 3 und 4 bei ausgeschaltetem Schalter 18 fließende Strom Io ist, dann gelten die beiden nachstehenden Gleichungen für den Fall, daß Schalter 18 ausgeschaltet ist.

Vcc = Io × 2R_S (2)
Vo = Io × R_S (3)

Wird der Schalter 18 eingeschaltet, dann nimmt die Spannung am Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4 den Wert Vo′ gemäß dem von der Konstantstromquelle 17 abgegebenen Konstantstrom I an, und es gilt in diesem Fall die folgende Gleichung:

Vcc = (Io + I/2) × R_s + (Io - I/2) x R_s = Io × 2R_s (4)
Vo′ = (Io - I/2) × R_s (5)

Befindet sich der Schalter 18 in einem ausgeschalteten Zustand, dann liegt der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 5 auf derselben Spannung wie der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6. Wird sodann der Schalter 18 eingeschaltet, dann wird eine Spannung ΔV = Vo′ - Vo = -(I x R_S)/2 zwischen dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 5 und dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 gebildet. Diese Spannung ΔV wirkt als Quasi-Beschleunigungssignal zur Simulation eines tatsächlichen Beschleunigungssignals infolge der Einwirkung einer Beschleunigung. Falls das Verhältnis des Widerstands 12 zum Widerstand 10 gemäß R₁₂:R₁₀ = 10 : 1 angegebenen werden kann, dann wird eine Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 gemäß der nachfolgenden Gleichung gebildet:

Vout = -10 × ΔV + V_R = 5·I·Rs + V_R (6)

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird die Diagnose der Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung unter Verwen dung des Quasi-Beschleunigungssignals durchgeführt.

Fig. 8 zeigt Spannungen von verschiedenen Teilen der in Fig. 7 gezeigten bekannten Schaltungsanordnung, wobei ferner das Auftreten von Spannungsänderungen infolge des Einschaltens des Schalters 18 zum Zeitpunkt t gezeigt ist. Wenn Schalter 18 eingeschaltet wird, dann wird die Ausgangsspannung V₂ des zweiten Operationsverstärkers geändert zu -(I × R_S)/2, obwohl die Ausgangsspannung V₁ des ersten Operationsverstärkers 5 unverändert auf einer festen Spannung gleich der Ausgangsspannung Vo am Verbindungsknoten der Belastungsmeßwiderstände 3 und 4 der Brückenschaltung gehalten wird, so daß die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 gemäß der Gleichung (1) zu 5·I·R_S wird.

Tritt bei einer Anordnung gemäß dem vorstehend beschriebenen Schaltungsaufbau ein Fehler im Signalpfad von beispielsweise dem ersten Operationsverstärker 5 zum invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers 7 infolge einer möglichen Beschädigung des Beschleunigungserfassungsstabs 23 auf und ist dann die Spannung V₁ des invertierenden Eingangs des dritten Operationsverstärkers 7 oder die Spannung des Ausgangs des ersten Operationsverstärkers 5 auf einem festen Wert, dann wird die Ausgangsspannung der Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung nach wie vor gleich 5·I·R_S, wenn der Schalter 18 eingeschaltet ist. Dies bedeutet, daß in diesem Fall der angegebene Fehler nicht ermittelt werden kann.

Auch in dem Fall, in dem die Serienschaltung der Konstantstromquelle 17 und des Schalters 18 mit dem Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 1 und 2 anstelle des Verbindungsknotens zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4 verbunden ist, wird die Ausgangsspannung der Halbleiterbeschleunigungserfassungs einrichtung gleich 5·I·R_S, was dem Wert der Ausgangsspannung im Normalbetrieb entspricht, so daß dieser Fehler nicht erfaßt werden kann.

Aus der JP 6-229778 (abstract) ist eine Halbleiterbeschleuni gungseinrichtung zur Erfassung von Beschleunigungen bekannt, bei der in Abhängigkeit von Änderungen im Widerstandswert von Meßwi derständen mit Piezowiderstandswerten ein elektrisches Signal zur Angabe der auftretenden Beschleunigung ausgegeben wird. Hierzu weist die Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung Meßwiderstände in Form einer Brückenschaltung mit einem ersten und zweiten Ausgang sowie einem mit den Ausgängen verbundenen Ausgangsverstärker zur Bildung des Ausgangssignals entsprechend der auftretenden Beschleunigung auf. Im Hinblick auf eine siche re Erfassung mittels der Halbleiterbeschleunigungserfassungsein richtung weist diene ferner eine Diagnoseschaltung auf, mittels der Leitungsunterbrechungen der Verbindungsleitungen zwischen den Meßwiderständen ermittelt werden können. Bei Ermittlung ei ner Leitungsunterbrechung wird dieser Fehlerzustand angezeigt.

Desweiteren sind aus dem DE-Prospekt: Delta: ICSENSORS; Applika tion: TN-009B, Dez. 1988 Temperaturkompensationstechniken für piezoresistive Beschleunigungssensoren bekannt, wobei das Ver fahren der Konstantstromkompensation Verwendung findet. Hierbei wird der Brückenwiderstand als Parameter im Kompensationsnetz werk eliminiert. Bei der Konstantspannungskompensation wird an die Meßwiderstandsbrücke eine temperaturabhängige Spannung ange legt. Ferner erfolgt die Kompensation mit Verstärkern und Rück kopplungswiderständen, wobei ein Abgleich der Schaltungsverstär kung möglich ist.

Ferner ist aus der DE 41 27 979 A1 ein Halbleiter- Beschleunigungsmesser bekannt, bei dem auf einem Halbleitersen sorelement die Meßwiderstände auf der zu einer dünnen Membran entgegengesetzten Oberfläche angeordnet sind. Das Halbleitersen sorelement ist einseitig auf einem Sockel befestigt und weist an seinem anderen Ende ein entsprechendes Gewicht zur Aufnahme der Beschleunigung auf. Die Meßwiderstände sind elektrisch miteinan der und ferner über entsprechende Drahtverbindungen mit den An schlußstiften des Halbleiter-Beschleunigungsmessers verbunden.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung der vorstehend genannten Art derart auszugestalten, daß eine hohe Diagnosesi cherheit und eine Erfassung von Fehlern auch in den vorgesehenen Operationsverstärkern gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Diagnoseschaltung vor gesehen zur Erfassung eines Fehlers in dem Ausgangsverstärker. Zur Fehlererfassung wird im einzelnen ein Quasi- Beschleunigungssignal an den Ausgangsverstärker angelegt und überwacht. Das Quasi-Beschleungigungssignal wird gebildet durch Bewirken verschiedener Konstantströme über erste und zweite An schlüsse der Brückenschaltung der Belastungsmeßwiderstände in Richtung des Masseanschlusses.

Hierdurch ist es möglich, auch einen Fehler im Ausgangsverstär ker genau zu erfassen und somit die gesamte Erfassungsgenauig keit und Zuverlässigkeit der Halbleiterbeschleunigungserfas sungseinrichtung zu verbessern.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung eines Ausgangsverstärkers einer Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrich tung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Auftretens von Spannungsänderungen während der Diagnose, wenn der Ausgangsverstärker gemäß Fig. 1 keinen Fehler aufweist,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Auftretens von Spannungsänderungen während der Diagnose, wenn der Ausgangsverstärker gemäß Fig. 1 einen Fehler im ersten Operationsverstärker 5 aufweist,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Auftretens von Spannungsänderungen während der Diagnose, wenn der Ausgangsverstärker gemäß Fig. 1 einen Fehler im zweiten Operationsverstärker 6 aufweist,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Auftretens von Spannungsänderungen während der Diagnose, wenn der Ausgangsverstärker gemäß Fig. 1 einen Fehler sowohl im ersten als auch im zweiten Operations verstärker 5 und 6 aufweist,

Fig. 6 eine Schnittansicht der Halbleiterbeschleunigungs erfassungseinrichtung,

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung eines bekannten Ausgangs verstärkers zur Verwendung in einer Halbleiter beschleunigungserfassungseinrichtung, und

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Auftretens von Spannungsänderungen während der Diagnose, wenn der bekannte Ausgangsverstärker gemäß Fig. 7 keine Fehler aufweist.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Ausgangsverstärkers einer Halbleiterbeschleunigungs erfassungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 sind gleichartige Bauelemente und Bauteile wie in Fig. 7 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Bezugszeichen 1 bis 4 bezeichnen auf der Oberfläche der Membran 24 im dünnen Teil des Beschleunigungssensorstabs 23 gemäß Fig. 6 angeordnete Belastungsmeßwiderstände zur Verwendung als Beschleunigungssensorteil, wobei jeder der Belastungsmeßwiderstände 1 bis 4 einen gleichen Widerstandswert R_S aufweist und aus diesen Belastungsmeßwiderständen 1 bis 4 eine Brückenschaltung gebildet ist. Der Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 1 und 3 ist mit einer Leistungsversorgung Vcc verbunden, und der Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 2 und 4 ist mit Masse GND verbunden. Der Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 1 und 2 und der Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4 dienen als Ausgangsanschlüsse der Brückenschaltung. Eine Ausgangsspannung entsprechend der Stärke der einwirkenden Beschleunigung wird zwischen diesen Ausgangsanschlüssen erhalten.

In Fig. 1 bezeichnen die Bezugszeichen 5 bis 7 erste bis dritte Operationsverstärker, die zusammen einen Differenzverstärker mit einer hohen Eingangsimpedanz bilden, wobei der Differenzverstärker als Ausgangsverstärker dient und mit den Ausgängen der vorstehend beschriebenen Brückenschaltung zur Verstärkung des Beschleunigungssignals verbunden ist.

Der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 ist mit dem Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4, und der invertierende Eingang ist über einen Rückkopplungswiderstand 9 mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 6 verbunden.

Ferner ist der invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers 7 über einen Widerstand 10 mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 5, und der nicht invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers 7 über einen Widerstand 11 mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 6 verbunden. Desweiteren ist der Ausgang des dritten Operationsverstärkers 7 über einen Rückkopplungswiderstand 12 mit seinem invertierenden Eingang verbunden und sein nicht invertierender Eingang ist ebenfalls über einen Widerstand 13 mit einer Vorspannung (Referenzspannung) V_R verbunden, die erhalten wird durch Teilung der Leistungsversorgungsspannung Vcc unter Verwendung der Reihenschaltung der Widerstände 14 und 15 zwischen der Leistungsversorgung Vcc und dem Masseanschluß GND.

Die Bezugszeichen 16 und 17 bezeichnen Konstantstromquellen, wobei bei Konstantstromquelle 16 zwischen dem ersten Ausgangsanschluß der vorstehend genannten Brückenschaltung und Masse GND, und die zweite Konstantstromquelle 17 zwischen dem zweiten Ausgangsanschluß der Brückenschaltung und Masse GND angeordnet ist. Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Schalter, der in Verbindung mit den Konstantstromquellen 16 und 17 eine Diagnoseschaltung bildet. Wird der Schalter 18 eingeschaltet, dann werden unterschiedliche Konstantströme aus der Brückenschaltung jeweils über den ersten und zweiten Ausgangsanschluß entnommen, so daß damit ein Quasi- Beschleunigungssignal für den vorstehend beschriebenen Ausgangsverstärker gebildet wird zur Erfassung eines Fehlers im Ausgangsverstärker.

Der eine Anschluß der ersten Konstantstromquelle 16 ist mit dem Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 1 und 2 der Brückenschaltung (dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 5) verbunden, und der eine Anschluß der zweiten Konstantstromquelle 17 ist mit dem Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4 (dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6) verbunden. Die anderen Anschlüsse der ersten und zweiten Konstantstromquellen 16 und 17 sind jeweils miteinander verbunden. Der Schalter 18 ist zwischen Masse GND und dem gemeinsamen Anschluß der ersten und zweiten Konstantstromquellen 16 und 17 angeordnet.

Wird der Schalter 18 eingeschaltet, dann wird der durch den Belastungsmeßwiderstand 1 fließende Strom veranlaßt, über die erste Konstantstromquelle 16 zum Masseanschluß GND zu fließen, so daß dadurch ein Strom der Stärke I₁ durch den Widerstand 1 fließt. In gleicher Weise wird der durch den Belastungsmeßwiderstand 3 fließende Strom veranlaßt, über die zweite Konstantstromquelle 17 zum Masseanschluß GND zu fließen, so daß dann ein Strom der Stärke I₂ zum Widerstand 3 fließt. Im Ergebnis werden dabei die Spannungen der beiden nicht invertierenden Eingänge der ersten und zweiten Operationsverstärker 5 und 6 vermindert.

Werden die beiden Konstantströme I₁ und I₂ auf verschiedene Werte eingestellt, dann werden die durch die Brückenschaltung fließenden Ströme unsymmetrisch bzw. ungleichmäßig. Die Unsymmetrie der Ströme bewirkt eine Spannung zwischen den nicht invertierenden Eingängen der ersten und zweiten Operationsverstärker 5 und 6, so daß hiermit ein Quasi-Beschleunigungssignal erzeugt wird.

Der Rückkopplungswiderstand 8 zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 5 ist derart eingestellt, daß er einen Widerstandswert gleich dem parallelen äquivalenten Widerstand der Belastungsmeßwiderstände 1 und 2 aufweist, so daß die Eingangsimpedanz des invertierenden Eingangs des ersten Operationsverstärkers 5 gleich der Eingangsimpedanz des nicht invertierenden Eingangs wird.

In gleicher Weise ist der Rückkopplungswiderstand zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 derart eingestellt, daß er einen Widerstandswert aufweist, der gleich dem parallelen äquivalenten Widerstand der Belastungsmeßwiderstände 3 und 4 ist, so daß die Eingangsimpedanz des invertierenden Eingangs des zweiten Operationsverstärkers 6 gleich der Eingangs impedanz des nicht invertierenden Eingangs wird.

Ferner werden die Widerstände 10 und 11 auf einen gleichen Widerstandswert eingestellt und es werden die Widerstände 12 und 13 ebenfalls auf einen jeweils gleichen Widerstandswert eingestellt, so daß trotz der hohen Ausgangsimpedanz der aus den Belastungsmeßwiderständen 1 bis 4 bestehenden Brückenschaltung das Ausgangssignal dem dritten Operationsverstärker 7 nach Umwandlung der hohen Ausgangsimpedanz in eine niedrige Ausgangsimpedanz zugeführt wird, wobei der Differenzverstärker präzise ohne Beeinflussung durch die hohe Impedanz betrieben werden kann.

Ist die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers 5 durch V₁ angegeben und ist die Ausgangsspannung des zweiten Operationsverstärkers 6 durch V₂ angegeben und weisen ferner die Widerstandswerte der Widerstände 10 und 12 jeweils die Werte R₁₀ und R₁₂ auf, dann kann die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 gemäß der Gleichung (1) wie bei der vorstehend beschriebenen bekannten Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung angegeben werden.

Der Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 1 und 2, der als Ausgangsanschluß der Brückenschaltung dient, ist mit der ersten Konstantstromquelle 16 und dem Schalter 18 verbunden, und der Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4, der als anderer Ausgangsanschluß der Brückenschaltung dient, ist mit der zweiten Konstantstromquelle 17 und dem Schalter 18 verbunden, so daß bei einem in Abhängigkeit von dem zu vorbestimmten Zeitintervallen ausgegebenen Zeit steuerungssignal eingeschalteten Schalter 18 konstante Ströme I₁ und I₂ der Brückenschaltung zugeführt werden.

Werden die Konstantströme relativ zum Referenzstrom I eingestellt, so daß für die Ströme gilt I₁ = 9I und I₂ = 10I, und ist daher das Verhältnis zwischen dem Konstantstrom I₁ und dem Konstantstrom I₂ gleich 9 : 10, dann wird die Brückenschaltung nach Einschalten des Schalters 18 unsymmetrisch (nicht abgeglichen), und eine Spannung von ΔV = -(I × R_S)/2 liegt zwischen dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 5 und dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 an. Diese Spannung ΔV dient als Quasi-Beschleunigungssignal zur Simulation eines infolge der Einwirkung einer Beschleunigung tatsächlich gebildeten Beschleunigungs signals.

Wird wie in der vorstehend beschriebenen bekannten Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung angenommen, daß die Spannung der Leistungsversorgung Vcc gleich Vcc ist, die Spannung am Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 1 und 2 (die Spannung am nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 5) gleich Vo ist und der von der Leistungsversorgung Vcc zum Masseanschluß GND über die Belastungsmeßwiderstände 1 und 2 bei ausgeschaltetem Schalter 18 fließende Strom gleich Io ist, dann gelten die vorstehend beschriebenen Gleichungen (2) und (3) ebenfalls für den ausgeschalteten Schalter 18.

Wird ferner die Spannung am Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 1 und 2 im Falle eines ausgeschalteten Schalters 18 mit V_10′ angegeben, dann ergeben sich die nachfolgenden Gleichungen (7) und (8) in gleicher Weise entsprechend den Gleichungen (4) und (5).

V_cc = (Io + 9 · I/2) × R_s + (Io - 9 · I/2) × R_s
= Io × 2R_s (7)
V_10′ = (Io - 9 · I/2) × R_s = Vo - 9 · I × R_S/2 (8)

Wird ferner angenommen, daß die Spannung am Verbindungsknoten zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4 in diesem Falle gleich V_20′ ist, dann gelten die nachfolgenden Gleichungen (9) und (10).

V_cc = (Io + 10 · I/2) × R_S + (I0 - 10 · I/2) × R_S
= Io × 2R_S (9)
V_20′ = (Io - 10 · I/2) × R_S = Vo - 5 · I × R_S (10)

Befindet sich der Schalter 18 im ausgeschalteten Zustand, dann ist die Spannung am nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 5 die gleiche wie diejenige am zweiten Operationsverstärker 6. Ist jedoch der Schalter 18 eingeschaltet, dann wird eine Spannung V = V_20′ - V_10′ = -(I × R_S)/2 zwischen dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 5 und dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 6 gebildet. Diese Spannung dient als Quasi-Beschleunigungssignal zur Simulation eines tatsächlichen Beschleunigungssignals infolge der Einwirkung einer Beschleunigung.

Ist das Verhältnis des Widerstands 12 zum Widerstand 10 gleich R₁₂ : R₁₀ = 10 : 1, dann kann die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 angegeben werden zu

Vout = -10 x ΔV + V_R
= 5·I·R_S + V_R

wobei diese Gleichung dieselbe Form wie die vorstehend beschriebene Gleichung (6) aufweist.

Somit kann die Diagnose der Halbleiterbeschleunigungs erfassungseinrichtung in der vorstehend beschriebenen Weise unter Verwendung des Quasi-Beschleunigungssignals durchgeführt werden. Fig. 2 veranschaulicht Spannungen von verschiedenen Teilen der in Fig. 1 gezeigten Schaltung ohne Fehler, wobei auftretende Spannungsänderungen infolge des Einschaltens des Schalters 18 zum Zeitpunkt t gezeigt sind. Nach Einschalten des Schalters 18 nimmt die Ausgangsspannung V₁ des ersten Operationsverstärkers 5 einen Wert gleich dem durch die Gleichung (8) minus Vo angegebenen Wert an, d. h. -9·I × R_S/2. In gleicher Weise hat die Ausgangsspannung V₂ des zweiten Operationsverstärkers 6 einen Wert gleich dem durch die Gleichung (10) minus Vo angegebenen Wert, d. h. -5·I × R_S. Im Ergebnis wird die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 zu -5·I·R_S.

Tritt im ersten Operationsverstärker 5 ein Fehler beispielsweise infolge einer Beschädigung des Beschleunigungserfassungsstabs 23 auf, dann ist die Ausgangsspannung V₁ des ersten Operationsverstärkers 5 festgelegt auf einen Wert gleich der Spannung Vo des Verbindungsknotens zwischen den Belastungsmeßwiderständen 1 und der Brückenschaltung. Gemäß Fig. 3 hat jedoch die Ausgangsspannung V₂ des zweiten Operationsverstärkers 6 einen Wert gleich dem durch die Gleichung (10) minus Vo angebenen Wert, d. h. -5·I × R_S wenn der Schalter 18 zum Zeitpunkt t eingeschaltet wird. Im Ergebnis nimmt die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 den Wert -50·I·R_S an.

Tritt demgegenüber ein Fehler im zweiten Operationsverstärker 6 auf, dann ist die Ausgangsspannung V₂ des zweiten Operationsverstärkers 6 auf einen Wert gleich der Spannung Vo des Verbindungsknotens zwischen den Belastungsmeßwiderständen 3 und 4 der Brückenschaltung festgelegt. Die Ausgangsspannung V₁ des ersten Operationsverstärkers 5 weist jedoch einen Wert gleich dem durch die Gleichung (8) minus Vo angebenen Wert auf, d. h. -9·I × R_S/2, wenn der Schalter 18 zum Zeitpunkt t eingeschaltet wird. Im Ergebnis wird die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 den Wert 45·I·R_S annehmen.

In dem Falle, daß sowohl der erste als auch der zweite Operationsverstärker 5 und 6 einen Fehler aufweisen und somit beide Ausgangsspannungen V₁ und V₂ auf den Wert Vo festgelegt sind, wird die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 unverändert bei V_R aufrecht erhalten, auch wenn der Schalter 18 gemäß Fig. 5 zum Zeitpunkt t eingeschaltet wird.

Befindet sich somit der Ausgangsverstärker in einem normalen, d. h. fehlerfreien Zustand, dann nimmt die Ausgangsspannung Vout den Wert von 5·I·R_S an. Tritt demgegenüber ein Fehler im ersten Operationsverstärker 5 beispielsweise infolge einer Beschädigung des Beschleunigungssensorstabs 23 auf, und ist daher die Ausgangsspannung V₁ des ersten Operationsverstärkers 5 auf den Wert Vo festgelegt, dann nimmt die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 einen Wert von -50·I·R_S an.

Tritt ein Fehler im zweiten Operationsverstärker 6 auf und ist daher die Ausgangsspannung V₂ des zweiten Operationsverstärkers 6 auf den Wert Vo festgelegt, dann nimmt die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 einen Wert von 45·I·R_S an.

Weisen ferner sowohl der erste als auch der zweite Operationsverstärker 5 und 6 einen Fehler auf und sind daher beide Ausgangsspannungen V₁ und V₂ auf einen Wert Vo festgelegt, dann wird die Ausgangsspannung Vout des dritten Operationsverstärkers 7 auf dem Wert V_R festgehalten. Somit ist es möglich, eine Fehlererfassung durch Bewerten der Ausgangsspannung des dritten Operationsverstärkers 7 durchzuführen. Ferner kann bei Auftreten eines Fehlers der Fehlerort ermittelt werden. Somit ist, wie vorstehend beschrieben, die erste Konstantstromquelle über einen Schalter zwischen Masse und dem ersten Ausgang der aus Belastungsmeßwiderständen bestehenden Brückenschaltung angeordnet, und die zweite Konstantstromquelle ist über einen Schalter zwischen Masse und dem zweiten Ausgang der Brückenschaltung angeordnet, so daß bei Einschalten des Schalters unterschiedliche Konstantströme von der Brückenschaltung über den ersten und zweiten Ausgang bewirkt werden zur Erzeugung eines Quasi-Beschleunigungssignals, das dem Ausgangsverstärker zur Erfassung eines Fehlers im Ausgangsverstärker selbst zugeführt wird.

Ferner umfaßt der Ausgangsverstärker erste und zweite Operationsverstärker, wobei der nicht invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers mit dem ersten Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist, der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers mit dem zweiten Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist, der Ausgang des ersten Operationsverstärkers über einen Rückkopplungswiderstand mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist, der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers über einen Rückkopplungswiderstand mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist, und einen dritten Operationsverstärker, dessen invertierender Eingang über einen Widerstand mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist, dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbunden ist, und der Ausgang des dritten Operationsverstärkers über einen Rückkopplungswiderstand mit dem nicht invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers verbunden ist, eine am nicht invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers anliegende Vorspannung, die mittels eines Widerstandsspannungsteilers gebildet wird, wobei ein Fehler und Fehlerort im Ausgangsverstärker auf einfache Weise ermittelt werden kann durch Bewertung der Reaktion des Ausgangsverstärkers in Abhängigkeit vom Verhältnis des Konstantstroms der ersten Konstantstromquelle zu demjenigen der zweiten Konstantstromquelle und ferner in Abhängigkeit vom Widerstandsverhältnis.

Claims

1. Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung zur Erfas sung von Beschleunigungen, und zur Abgabe eines elektrischen Si gnals entsprechend Änderungen im Widerstandswert von Belastungs meßwiderständen (1 bis 4) mit Piezowiderstandseigenschaften, wo bei die Änderungen im Widerstandswert in Abhängigkeit von der Änderung einer elastischen Kraft auftreten und die Belastungs meßwiderstände (1 bis 4) auf oder in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, mit
einer aus den Belastungsmeßwiderständen (1 bis 4) bestehende Brückenschaltung mit einem ersten und zweiten Ausgang,
einem mit dem ersten und zweiten Ausgang verbundenen Aus gangsverstärker (5 bis 13) zur Bildung eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Beschleunigung, und
einer Diagnoseschaltung (16, 17, 18) zur Erfassung eines Fehlers im Ausgangsverstärker (5 bis 13), dadurch gekennzeichnet, daß
die Fehlererfassung mittels der Diagnoseschaltung (16, 17, 18) durchgeführt wird durch Anlegen eines Quasi- Beschleunigungssignals an den Ausgangsverstärker (5 bis 13), wo bei das Quasi-Beschleunigungssignal durch Bewirken unterschied licher Konstantströme über den ersten und zweiten Ausgang der Brückenschaltung in Richtung eines Masseanschlusses (GND) gebil det wird.

2. Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diagnose schaltung (16, 17, 18) umfaßt:
eine erste und zweite Konstantstromquelle (16, 17) zum Bewirken unterschiedlicher Konstantströme über den ersten und zweiten Ausgang der Brückenschaltung, wobei ein Anschluß der ersten Konstantstromquelle (16) mit dem ersten Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist, ein Anschluß der zweiten Konstantstromquelle (17) mit dem zweiten Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist und die jeweiligen anderen Anschlüsse der ersten und zweiten Konstantstromquelle (16, 17) miteinander verbunden sind, und
einen zwischen dem Masseanschluß (GND) und dem Verbindungsknoten, mit dem die jeweils anderen- Anschlüsse der ersten und zweiten Konstantstromquelle (16, 17) miteinander verbunden sind, angeordneten Schalter (18).

3. Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsverstärker (5 bis 13) umfaßt:
einen ersten und zweiten Operationsverstärker (5, 6), wobei der nicht invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers (5) mit dem ersten Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist, der nicht invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers (6) mit dem zweiten Ausgang der Brückenschaltung verbunden ist, der Ausgang des ersten Operationsverstärkers (5) über einen Rückkopplungswiderstand (8) mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers (5) verbunden ist und der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (6) über einen Rückkopplungswiderstand (9) mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (6) verbunden ist, und
einen dritten Operationsverstärker (7), wobei der invertierende Eingang des dritten Operationsverstarkers (7) über einen Widerstand (10) mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (5) verbunden ist, der nicht invertierende Eingang das dritten Operationsverstärkers (7) über einen Widerstand (11) mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (6) verbunden ist, der Ausgang des dritten Operationsverstärkers (7) über einen Rückkopplungs widerstand (12) mit dem nicht invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers (7) verbunden ist, und eine Vorspannung an den nicht invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers (7) angelegt wird, die mittels eines Widerstandsspannungsteilers (13, 14, 15) gebildet wird.

4. Halbleiterbeschleunigungserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastungsmeßwiderstände (1 bis 4) auf der Oberfläche einer dünnen Membran (24) ausgebildet sind, und die dünne Membran (24) in einem im wesentlichen mittleren Teil eines Beschleunigungssensorstabs (23) gebildet ist, wobei beide Enden des Beschleunigungssensorstabs (23) dicker sind also der mittlere Teil und wobei ein Ende des Beschleunigungssensorstabs (23) an einem tragenden Element befestigt ist, während das andere Ende des Beschleunigungserfassungsstabs unbefestigt ist.