DE19806753A1

DE19806753A1 - Sensormodul

Info

Publication number: DE19806753A1
Application number: DE1998106753
Authority: DE
Inventors: Gerald Brinks; Thomas Ohgke; Guenther Schuster
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-09-02
Also published as: GB9901498D0; FR2775081A1; GB2334588A

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul, bestehend aus einem Sensor element zur Erfassung einer physikalischen Größe und mindestens einem integrierten Schaltkreis, wobei auf dem Sensorelement mindestens eine Meßbrücke, insbesondere Wheatstonsche Brücke, angeordnet ist, die mindestens zwei Ausgangssignale erzeugt.

Es sind verschiedene derartige Sensormodule bekannt. Die Sensormodu le bestehen aus einem Sensorelement und einer Signalauswerteschal tung, welche sich auf einem integrierten Schaltkreis befindet. Bei dem Sensorelement handelt es sich insbesondere um einen piezoelektrischen, piezoresistiven oder kapazitiven Beschleunigungssensor. Derartige Sen soren zur Messung physikalischer Größen, wie z. B. Druck oder Be schleunigung, bestehen wiederum aus einem beweglichen Teil, der soge nannten seismischen Masse, und einem festen Teil. Die beweglichen und unbeweglichen Teile sind durch einen oder mehrere Stege miteinander verbunden. Der Ausschlag des beweglichen Teils gegenüber dem unbe weglichen Teil ist das Maß für die Höhe der Beschleunigung bzw. des Druckes. Dabei wird das mechanische Signal -der Ausschlag des beweg lichen Teils- in ein elektrisches Signal umgewandelt. Zur exakten Mes sung des elektrischen Signals wird eine Wheatstonsche Brücke auf dem Sensorelement angeordnet. Hierbei bilden die Piezowiderstände die Wi derstandselemente der Wheatstonschen Brücke. Die Ausgangssignale der Wheatstonschen Brücke werden an eine Signalauswerteeinheit wei tergeleitet. In dieser Signalauswerteeinheit wird das Signal ausgewertet und für den weiteren Gebrauch aufbereitet.

Hierbei ergeben sich mehrere Nachteile:

- Veränderungen des Brückenpegels der Wheatstonschen Brücke bei den piezoresistiven Sensorelementen werden nicht berücksichtigt. Diese Veränderungen haben ihre Ursache in der Alterung der Drahtbondver bindungen, wodurch deren Widerstand zunimmt und der Spannungsab fall in der ansonsten niederohmigen Verbindung unzulässige Werte an nimmt.
- Auch Unterbrechungen der elektrischen Kontakte durch Bondabheber oder
- eine durch Feuchtigkeit oder Verschmutzung verursachte niederohmige, parasitäre Verbindung, insbesondere ein Kurzschluß zur Versorgungs spannung, wird von diesen Sensormodulen nicht erfaßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Sensormodul der eingangs genannten Art diese Nachteile zu beheben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzei chen des Patentanspruchs 1 gelöst. Hierbei weist mindestens ein inte grierter Schaltkreis mindestens einen Fensterkomparator auf, der minde stens ein Ausgangssignal der Meßbrücke mit einem definierten zulässigen Maximal- bzw. Minimalwert vergleicht, wodurch unzulässige Brückenpe geländerungen an der Meßbrücke erkannt werden. Dadurch kann Raum eingespart, Kosten gesenkt und die Funktionsfähigkeit des Sensorele ments überwacht werden. Dadurch werden auf einfache Art Alterungen der Drahtbondverbindungen, Unterbrechungen der elektrischen Kontakte zwischen Sensorelement und Signalverarbeitungseinheit und auch Kurz schlüsse, die z. B. durch Feuchtigkeit verursacht werden, erkannt.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch die Anordnung von mindestens zwei Fensterkomparatoren, die gleichzeitig die beiden Aus gangssignale einer Wheatstonschen Brücke erfassen und auswerten. Da durch kann die Fehlerquelle noch genauer lokalisiert werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der einzigen Figur dargestellt und erläutert werden.

Diese Figur zeigt eine Schaltung zur Brückenpegelüberwachung. Auf dem Sensorelement 12 befindet sich bei piezoresistiven Beschleuni gungsaufnehmern oder Drucksensoren vier Widerstände 5, die eine Wheatstonsche Brücke 13 ausbilden. Die Wheatstonsche Brücke zeichnet sich dadurch aus, daß sie auf kleinste Widerstandsänderungen empfind lich reagiert, das heißt, es können kleine Widerstandsänderungen der Piezowiderstände 5 sehr genau gemessen werden. In diesem Ausfüh rungsbeispiel sind die einzelnen vier Widerstände vier theoretisch gleich große Piezowiderstände 5, deren Wert sich durch Einwirkung einer physi kalischen Größe, wie z. B. Druck oder Beschleunigung, verändert und die Brücke verstimmt. Die Brückenspannung V_B ist proportional zur wirkenden physikalischen Größe, wie beispielsweise Druck oder Beschleunigung. Hierbei kann eine unzulässige Verschiebung der Brückenpegel stattfin den. Hierbei sind die Brückenpegel V_PP und V_PN der Spannungsabfall zwi schen den jeweiligen Ausgangssignalen V_outpos und V_outneg und der Mas se. Diese unzulässigen Verschiebungen können aufgrund von Alterung der Drahtbondverbindungen zur Masse hin oder zur Versorgungsspan nung des Sensorelements V_dds hin stattfinden. Die Spannung V_dds ist hierbei von den Betriebsbedingungen, wie z. B. der Betriebstemperatur, abhängig. Der Gesamtwiderstand nimmt zu und der Spannungsabfall in den ansonsten niederohmigen Bonddrahtverbindungen erreicht unzuläs sige Werte. Auch kann der elektrische Kontakt, insbesondere durch Bond abheber, an Masse, V_dds, V_outpos und V_outneg zwischen Sensor 12 und in tegriertem Schaltkreis 10 unterbrochen werden. Als weitere Fehlerursache für die Verschiebung des Brückenpegels ist ein durch Feuchtigkeit verur sachter Kurzschluß. Um derartige Fehler auszuschließen, wird der Brüc kenpegel permanent mit dieser Schaltung überwacht. Die Ausgangssigna le V_outpos und V_outneg der Wheatstonschen Brücke werden in Fensterkom paratoren 14, 15 eingespeist und überwacht. Die Schaltschwellen sind wie folgt definiert:

Die Variable T stellt den Spannungswert dar, um den die Brückenpegel bei einwandfreier Funktion von V_dds/2 abweichen können. Die Span nungswerte V₁ und V₂ werden in einer zweiten Überwachungseinheit 16 ständig kontrolliert. Am Ausgang A_F liegt das Signal EINS an, wenn die Brückenpegel innerhalb der spezifizierten Grenzen V₁ und V₂ liegen. Für den Fall einer Fehlfunktion, d. h. entweder V_outpos oder V_outneg oder V_outpos und V_outneg überschreitet/en die Schwelle/n V₁ bzw. V₂, wird am Ausgang A_F das Signal NULL erzeugt.

Derartige Sensormodule können auch mit kapazitiven oder anderen Meß brücken ausgestattet sein, die mehrere Ausgangssignale erzeugen.

Claims

1. Sensormodul, bestehend aus einem Sensorelement (12) zur Erfassung einer physikalischen Größe und mindestens einem integrierten Schalt kreis (10) zur Auswertung der Sensorsignale, wobei auf dem Sensor element (12) mindestens eine Meßbrücke (13), insbesondere eine Wheatstonsche Brücke angeordnet ist, die mindestens zwei Aus gangssignale (V_outpos, V_outneg) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein integrierter Schaltkreis (10) mindestens einen Fenster komparator (14, 15) aufweist, der mindestens ein Ausgangssignal (V_outpos, V_outneg) der Meßbrücke mit einem definierten, zulässigen Maxi mal- bzw. Minimalwert vergleicht, wodurch mindestens ein unzulässiger Brückenpegel (V_PP, V_PN) an der Meßbrücke erkannt wird.

2. Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß min destens ein integrierter Schaltkreis (10) mindestens zwei Fensterkom paratoren (14, 15) aufweist, die gleichzeitig die beiden Ausgangssigna le (V_outpos, V_outneg) einer Meßbrücke (13) und damit deren Brückenpegel (V_PP, V_PN) erfassen und auswerten.