DE4042740B4

DE4042740B4 - Sensor

Info

Publication number: DE4042740B4
Application number: DE4042740A
Authority: DE
Inventors: Seiko Hitachioota Suzuki; Kazuo Toukai Kato; Masahiro Hitachi Matsumoto; Shigeki Mito Tsuchitani; Masayuki Katsuta Miki; Yoshihiro Katsuta Yokota
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-07-20
Filing date: 1990-07-17
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2010-07-18

Abstract

Angegeben wird ein Sensor mit einem Detektor (6) zur Erfassung einer physikalischen Größe und einem mit diesem Detektor (6) verbundenen Signalprozessor (5), wobei der Signalprozessor Justiermittel (14-17, R) zur Justierung der Kennlinie des Sensors aufweist, wobei die Justiermittel Schaltmittel (20, 20', 20'', 20A) zur schrittweisen elektrischen Justierung der Kennlinie des Detektors durch Schalten der Schaltmittel (20, 20', 20'', 20A) aufweisen, wobei die Schaltmittel durch Zerstörung oder Nicht-Zerstörung von mindestens einem Transistor mit Zener-Durchbruchs-Eigenschaft oder mindestens einer Sicherung mit Hilfe eines gesteuerten Stromflusses darin geschaltet werden, und wobei ein oder mehrere Anschlußflecken (3, 4, 34) vorgesehen sind, wobei die Steuerung des Stromflusses in dem mindestens einen Transistor oder der mindestens einen Sicherung auf der Grundlage eines Signals von dem oder den Anschlußflecken (3, 4, 34) und auf der Grundlage eines Signals von einem am Sensor angebrachten Mikrocomputer (66) durchgeführt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen, insbesondere mechanischen Größe, wie Beschleunigung oder Druck. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Sensor, der bei der Steuerung des Fahrwerkes oder des Motors eines Fahrzeugs zum Einsatz kommt.
Fahrwerk- oder Motorsteuersysteme werden zur Regelung aller Arten von Problemen im Fahrzeug eingesetzt und entworfen. Sie benötigen unter anderem einen Beschleunigungssensor oder einen Halbleiterdrucksensor.
Nachdem aber ein in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzter Beschleunigungssensor vergleichsweise kleine Beschleunigungen zu erfassen hat, die sich darüber hinaus nur relativ langsam ändern, werden hauptsächlich Beschleunigungssensoren auf der Grundlage von Halbleitern mit elektrostatischer Kapazität, im folgenden elektrostatische Halbleiterkondensatoren genannt, oder von Dehnungsmeßstreifen eingesetzt.
Die Kennlinien dieser konventionellen Sensoren driften aber nach der Herstellung. Demzufolge muß ihre Empfindlichkeit und/oder ihr Nullpunkt in einer Signalverarbeitungsschaltung justiert werden. Ein Justierverfahren besteht beispielsweise darin, daß die Signalverarbeitungsschaltung auf einer gedruckten Leiterplatte aufgebaut ist und daß, um ein justiertes Ausgangssignal zu gewinnen, auf der Leiterplatte ein Widerstandselement eines Ausgangsjustierers ausgewählt wird. Bei Verwendung von integrierten Hybridschaltungen ist es ein anderes Justierverfahren, zum Erhalt eines justierten Ausgangssignals des Sensors ein Widerstandselement des Ausgangsjustierers auf dem integrierten Hybridschaltkreis durch Laserabgleich einzustellen.
Diese Sensoren benötigen aber umfangreiche Signalverarbeitungsschaltungen, was hohe Kosten verursacht. Außerdem nimmt die Leiterlänge zwischen dem Detektor und der Signalverarbeitungsschaltung zu, dasselbe gilt für die Anzahl der Leiter zwischen ihnen. Dies führt zu dem Nachteil, daß bei einem derartigen konventionellen Sensor die Wahrscheinlichkeit einer Leitungsunterbrechung aufgrund hoher Temperaturunterschiede oder Beschleunigungen steigt.

Andererseits wurde vorgeschlagen, integrierte Signalverarbeitungsschaltungen mit darauf ausgebildeten Dünnfilm widerständen zu benutzen, die ebenso mittels Laserabgleich zur Einstellung des Widerstandswertes justiert werden könnten. Nichtsdestoweniger ändern auch diese Widerstände beim Altern ihren Wert, so dass ein derartiger Sensor nicht ausreichend zuverlässig als Beschleunigungssensor arbeitet. Im Stand der Technik sind Beschleunigungssensoren auf der Grundlage von elektrostatischen Halbleiterkondensatoren sowie solche auf der Grundlage von Dehnungsmessstreifen auf den S. 395 bis 398 bzw. 399 bis 402 der im Juni 1987 in Tokio veröffentlichten Druckschrift "Transducer 87, The 4th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators" beschrieben.

Ihnen haftet aber der Nachteil an, dass Veränderungen in der Empfindlichkeit und Nullpunktverschiebungen der Sensoren, die während des Herstellungsprozesses der Detektoren erzeugt werden, nicht genau genug ausgeglichen werden, außerdem sind sie vergleichsweise groß und teuer und wenig zuverlässig.

Aus der US 4,717,888 ist die Nullpunktjustierung für eine integrierte Schaltung bekannt. Hier sind Zenerstrecken zu Widerständen parallel geschaltet, wobei die Zenerstrecken über Signale von Anschlussflecken her durchgebrannt werden können.

Aus der US 4,618,833 ist die Offset-Einstellung eines Operationsverstärkers bekannt. Hier wird durch das Durchbrennen von Diodenstrecken der Drain eines FET unmittelbar eingestellt.

Aus der US 4,412,241 ist eine Mehrfach-Trimmstruktur bekannt. Hier sind Zenerstrecken kombiniert mit Sicherungsstrecken parallel zu Trimmwiderständen geschaltet.

Aus der DE 30 08 754 C2 ist eine monolithische, integrierte trimmbare Schaltung bekannt. Eine Kette binär gestaffelter Widerstände weist eine parallele Kette durchbrennbarer Halbleiterstrecken auf.

Aus der EP 0 322 380 A2 ist ein Verfahren zum schrittweisen Vergrößern der Kollektorfläche eines PNP-Transistors während des elektrischen Prüfens einer integrierten Schaltung bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kleinen, leicht montierbaren, billigen und zuverlässigen Sensor zur Erfassung einer physikalischen, insbesondere mechanischen Größe bei erhöhter Fertigungsausbeute anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Die abhängigen Patentansprüche zeigen vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung auf.

Erfindungsgemäß kann ein Sensor so ausgebildet sein, dass der Zustand eines mit ihm verbundenen Signalprozessors digital durch selektive Zufuhr von Strom zum Signalprozessor von einem auf dem Sensor angebrachten Mikrocomputer her geändert wird, so dass die Kennlinie des Signalprozessors wahlfrei geändert werden kann. Erfindungsgemäß können insbesondere die Speicherzustände eines Nullpunktabgleichspeichers und/oder eines Empfindlichkeitsabgleichspeichers des Signalprozessors digital am Signalprozessor ausgewählt werden, so dass die Empfindlichkeit des Signalprozessors gemäß den weiter unten angegebenen Ausführungen geändert wird, wodurch die Empfindlichkeit und/oder die Nullpunktverschiebung leicht justiert werden können.

Demzufolge kann die Empfindlichkeitskennlinie und/oder der Nullpunkt des Sensors leicht und zuverlässig eingestellt werden, insbesondere im Hinblick auf Alterungserscheinungen.

Da der Nullpunktabgleichspeicher und der Empfindlichkeitsabgleichspeicher gemeinsam mit dem aus einer integrierten Schaltung bestehenden Signalprozessor ausgebildet sind, sind Detektor und Signalprozessor auf demselben Schaltungsträger angebracht, so dass sich ein kleiner und deshalb leicht im Fahrzeug zu installierender Sensor ergibt, der außerdem billig ist.

Aufgrund der kurzen Leiter zwischen dem Detektor und dem Signalprozessor sowie der geringen Anzahl derselben treten in diesem Bereich weniger Fehler auf, wodurch die Zuverlässigkeit erhöht wird.

Im folgenden werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 einen seitlichen Schnitt des Sensors nach 1;
3 einen Frontalschnitt längs der in 2 gezeigten Linie A-A;
4 eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform;
5 eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform;
6 eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform;
7 das Schaltbild des Signalprozessors gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
8 einen als Widerstandskette im Signalprozessor gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ausgebildeten Nullpunktabgleichspeicher;
9 den Nullpunktabgleichspeicher mit einer Temperaturkompensation gemäß der Ausführungsform nach 8;
10 einen als Widerstandskette in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Signalprozessors ausgebildeten Empfindlichkeitsabgleichspeicher;
11 einen anderen Nullpunktabgleichspeicher auf der Grundlage von Serienwiderständen in einem Signalprozessor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 einen anderen Empfindlichkeitsabgleichspeicher auf der Grundlage von Serienwiderständen im Signalprozessor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 eine Erläuterung, wenn ein Schalter durch einen Zenerdurchbruch ausgewählt wurde;
14 eine Kennlinie zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung in 13;
15 die Schaltung einer Ausführungsform der in den 8 bis 12 dargestellten Schalter, bei der ein Zenerdurchbruch angewendet werden kann;
16 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der in den 8 bis 12 dargestellten Schalteranordnung, bei der ein Schalter unter Zuhilfenahme des Zenerdurchbruchs durch ein Ausgangssignal des am Sensor angebrachten Mikrocomputers ausgewählt werden kann;
17 ein Schaltbild einer Ausführungsform der in den 8 bis 12 dargestellten Schalteranordnung, bei der ein Siliziumdurchschmelzverfahren zur Anwendung kommt;
18A und 18B eine Darstellung des Siliziumdurchschmelzverfahrens;
19 eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform, die als ein Beschleunigungssensor auf der Grundlage von elektrostatischen Halbleiterkondensatoren verwendet wird;
20 einen Spannungsverlauf zur Erklärung der Funktionsweise des Sensors nach 19;
21 Kennlinien der Ausgangsjustierschaltung nach 19;
22 ein Diagramm zur Erklärung der erfindungsgemäßen Empfindlichkeitsjustierung;
23 eine sechste erfindungsgemäße Ausführungsform bei Anwendung als Geschwindigkeitssensor; und
24 eine siebte erfindungsgemäße Ausführungsform, die als Halbleiterdrucksensor verwendet wird.
In 1 bezeichnen die Ziffern 1 die Signalverarbeitungsschaltung und 2 die Ausgangsjustierschaltung, 3 eine Reihe von Anschlußflecken zur Justierung der Empfindlichkeit des Sensors und 4 eine Reihe von Anschlußflecken zur Justierung des Nullpunkts des Sensors. Die Schaltkreise 1, 2 und die Anschlußflecken 3, 4 sind zu einem integrierten Schaltkreis IC integriert. Ziffer 5 bezeichnet den durch den IC gebildeten Signalprozessor, 6 den Detektor des Sensorelements. Über Anschlußleitungen 7 ist der Detektor 6 mit dem Signalprozessor 5 verbunden. Entsprechend dem Anpaßbereich des Sensors 6 ist eine Anzahl von leitenden Anschlußflecken 3 und 4 vorgesehen, um die dafür notwendigen Bits zu bilden. Der Zustand zweier interner Speicher 14 und 16 (s. z. B. 7), die zum Abgleich der Empfindlichkeit und der Nullpunktverschiebung der Ausgangsjustierschaltung 2 dienen, wird durch die Auswahl der notwendigen Anschlußflecken innerhalb der Anschlußfleckenreihen 3 und 4 und durch Anlegen einer Spannung an sie, wie später erläutert wird, durchgeführt. Durch das Anlegen von Spannungen an die ausgewählten Anschlußflecken werden Empfindlichkeit und Nullpunktverschiebung entsprechend einer gewünschten Kennlinie festgesetzt.
Bezugnehmend auf 7 bis 18 wird im folgenden das Justierverfahren für die Empfindlichkeit und die Kompensation der Nullpunktverschiebung erläutert. Unterschiede der Kennlinie des Detektors 6 in bezug auf dessen Empfindlichkeit und dessen Nullpunktverschiebung sind unvermeidbar. Demzufolge ist auch deren Justierung unverzichtbar.
Die Justierungen werden nach dem Zusammenbau des Sensors durchgeführt. Zunächst wird hierzu eine veränderliche Beschleunigung G an den Sensor angelegt und das Ausgangssignal V_out der Ausgangsjustierschaltung 2 gemessen. Wenn beispielsweise der Sensor im Bereich zwischen 0 und ±1 G (1 G = 9,8 m/s²) messen soll, wird das Ausgangssignal V_out an den Punkten G = 0, G = 1 und G = –1 gemessen. Nachdem ein allgemeiner Beschleunigungssensor eine Rich tungsabhängigkeit in seiner Erfassungskennlinie hat, kann diese Messung leicht durch Neigung des Sensorelements unter Ausnützung der Fallbeschleunigung durchgeführt werden. Durch dieses bekannte Verfahren kann somit die Empfindlichkeitskennlinie und die Nullpunktverschiebung des zu justierenden Sensors ermittelt werden.
Daraufhin wird die für die Justierung benötigte Kompensationsgröße berechnet und sowohl aus den Anschlußflecken 3 die für die Justierung der Empfindlichkeit benötigten Anschlußflecken als auch aus den Anschlußflecken 4 die für die Justierung des Nullpunktes benötigten Anschlußflecken ausgewählt. Dann wird an diese ausgewählten Anschlußflecken eine vorbestimmte Spannung angelegt, wodurch die Speicher 14 und 16 der Ausgangsjustierschaltung 2 auf einen speziellen Zustand eingestellt werden.
Somit kann die Kennlinie der Signalverarbeitungsschaltung 1 digital gewählt und festgelegt werden, und indem die Empfindlichkeitskennlinie und die Nullpunktposition auf einen vorbestimmten Wert hin justiert bzw. kompensiert sind, können diese Werte innerhalb eines bestimmten Bereiches ausgewählt werden.
In den 2 und 3 bezeichnen die Ziffern 8 einen Sockel, 9 ein Substrat, 10 eine Abdeckung, 11 und 12 Anschlüsse für die Energieversorgung und 13 einen Ausgangsanschluß. Wie aus den 2 und 3 ersichtlich, sind der Signalprozessor 5 und der Detektor 6 auf dem Substrat 9 angebracht. Über die Anschlußleitungen 7 sind der Signalprozessor 5 und der Detektor 6 miteinander verbunden. Das Substrat 9 ist auf dem Sockel 8 befestigt.
Mittels des digitalen Verfahrens des selektiven Anlegens von Strom an die oben erwähnten ausgewählten Anschlußflecken 3 und 4 wird somit die Kennlinie der Ausgangsjustierschaltung 2 ausgewählt und festgelegt und somit auch die Kennlinie der Signalverarbeitungsschaltung 1. Zur Fertigstellung des Sensors wird nach Beendigung der Kompensation des Detektors 6 die Abdeckung 10 luftdicht mit dem Schaft 8 verbunden.
4 zeigt die zweite Ausführungsform, bei der der Detektor 6 unmittelbar mit dem Signalprozessor 5 verbunden ist.
5 zeigt die dritte Ausführungsform, bei der innerhalb des Signalprozessors 5 die Signalverarbeitungsschaltung 1 und die Signaljustierschaltung 2 als Einheit miteinander verbunden sind.
6 zeigt die vierte Ausführungsform, bei der der Detektor 6, die Signalverarbeitungsschaltung 1 und die Ausgangsjustierschaltung 2 als Einheit auf dem Signalprozessor 5 angebracht sind.
Die Ausgangsjustierschaltung 2 gemäß 7 weist einen Nullpunktabgleichspeicher 14, einen Differenzverstärker 15, den Empfindlichkeitsabgleichspeicher 16 und einen Differenzverstärker 17 auf. Jeder Differenzverstärker 15, 17 ist mit einem Eingangswiderstand und einem Rückkopplungswiderstand verbunden. Diese Widerstände haben den gleichen Widerstandswert R. Das Ausgangssignal der Signalverarbeitungsschaltung 1 wird über den Eingangswiderstand an dennichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers 15 als dessen Eingangssignal V_in angelegt. Über den Empfind lichkeitsabgleichspeicher 16 wird die Ausgabe des Differenzverstärkers 15 an den Differenzverstärker 17 angelegt.
An den Nullpunktabgleichspeicher 14 wird eine Referenzspannung V_ref angelegt.
Es sei nun angenommen, daß α der Justierindex des Nullpunktspeichers 14 sei und β der Justierindex des Empfindlichkeitsspeichers 16. Damit ergibt sich das Ausgangssignal V₀₁ des Differenzverstärkers 15 zu: V01 = Vin – α·Vref (1)
Der α·V_ref-Term auf der rechten Seite der Formel (1) beschreibt die Nullpunktjustierung. Die Nullpunktposition des Detektors 6 wird durch Veränderung dieses Terms justiert. Da die Spannung V_ref entsprechend der Referenzspannung im Ausgabeprozessor 5 fest eingestellt ist, kann der Nullpunkt durch Auswahl des Justierindex α im Nullpunktabgleichspeicher 14 justiert werden.
Für die Ausgangsspannung _V02 des Empfindlichkeitsabgleichspeichers 16 gilt:. V02 = β·( α·Vref – Vin) (2)
Da das Ausgangssignal V₀₂ gemäß Formel (2) proportional zum Justierindex β ist, kann durch die Auswahl dieses Index im Empfindlichkeitsabgleichspeicher 16 die Empfindlichkeit justiert werden.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 17 und damit das Ausgangssignal V_out der Ausgangsjustierschaltung 2 ergibt sich zu: Vout = β·(Vin – α·Vref) (3)
V_out entspricht dem Ausgangssignal V₀₂, allerdings mit umgekehrter Polarität.
Durch Auswahl der Justierindizes α und β des Nullpunktabgleichspeichers 14 bzw. des Empfindlichkeitsabgleichspeichers 16 kann demzufolge die im Detektor 6 begründete Fluktuation des Nullpunktes und der Empfindlichkeitskennlinie kompensiert werden. Das kompensierte Signal V_out kann über die Ausgangsjustierschaltung 2 ausgegeben werden.
Im folgenden werden Nullpunktspeicher 14 und Empfindlichkeitsspeicher 16 erklärt.
In 8 bezeichnet die Ziffer 18 Kettenwiderstände mit Widerstandselementen, deren Widerstandswerte R und 2R sind und 19 den später zu erklärenden Speicher. Der Nullpunktspeicher 14 umfaßt die Widerstandskette 18, den Speicher 19, einen Differenzverstärker 21 und einen Rückkopplungswiderstand 24. Der Speicher 19 wird durch eine Anzahl von Schaltern 20 gebildet. Entsprechend acht Bits enthält in 8 die Widerstandskette 18 die Schalter 20. In bezug auf die Widerstandselemente der Leiter-Widerstandskette 18 hat jeder der Schalter 20 eine Gewichtung zwischen 2⁰ und 2⁷. Jeder Schalter 20 hat drei Anschlüsse a, b und c. Anschluß a kann wahlweise mit Anschluß b oder Anschluß c verbunden werden. Alle Anschlüsse b sind an Masse 25 angeschlossen. Die Anschlüsse c sind mit dem invertierenden Eingang 23 des Differenzverstärkers 21 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang 22 des Differenzverstärkers 21 ist außerdem mit Masse 25 verbunden. Durch selektives Anlegen einer Spannung verbindet ein Schalter 20 einen der Anschlüsse b oder c, wie später erklärt werden wird, mit den für die Nullpunktjustierung verwendeten Anschlußflecken 4. Der Nullpunktspeicher 14 stellt dann für die an die Widerstandskette angelegte Referenzspannung V_ref ein bestimmtes Spannungsteilungsverhältnis ein, das über die Schalter 20 der Widerstandskette 18 innerhalb des Speichers 19 eingegeben wurde, so daß der oben erwähnte Justierindex α ausgewählt wird. Somit wird ein Ausgangssignal der Ausgangsspannung von α·V_ref als Ausgangssignal des Differenzverstärkers 21 erzeugt.
Es sei nun angenommen, daß die Schalter 20 der Bits 2¹, 2², 2⁴, 2⁵ und 2⁷ die Anschlüsse a und b miteinander verbinden, die übrigen Schalter verbinden die Anschlüsse a und c miteinander. In diesem Fall gilt für den Justierindex α d = 73/255 (4)
Somit gilt für das Ausgangssignal α·V_ref des Differenzverstärkers 21: α·Vref = 73/255 × Vref) (5)
Durch die Auswahl der Schaltzustände der Schalter 20 innerhalb des Speichers 19 wird das für die Nullpunktjustierung notwendige Ausgangssignal gewonnen.
In 9 bezeichnen die Ziffern 65 einen Thermistor und 64 einen Widerstand. Mittels des Thermistors 65 kann der Sensor temperaturkompensiert werden.
In 10 weist der Empfindlichkeitsabgleichspeicher 16 dieselbe prinzipielle Struktur auf wie der Nullpunktabgleichspeicher 14 aus 8. Der Empfindlichkeitsabgleichspeicher 16 wird durch einen Leiterwiderstand 18A mit den Widerständen R und 2R, aus dem Speicher 19A mit den Schaltern 20A entsprechend acht Bits, dem Differenzverstärker 27 und einem zwischen dem Eingangsanschluß 28 des Empfindlichkeitsababgleichspeichers 16 und dem invertierenden Eingangsanschluß des Differenzverstärkers 27 angeschlossenen Widerstand 26 gebildet.
Es sei nun angenommen, daß das Ausgangssignal V_in – α·V_ref des in den 8 und 9 dargestellten Differenzverstärkers 15 an den Eingangsanschluß 28 angelegt wird. Nach Formel (2) ist das Ausgangssignal V₀₂ des Differenzverstärkers 27: V02 = β·(α·Vref – Vin) (6)
Durch Auswählen und entsprechendes Schalten der Schalter 20A des Speichers 19A wird der Justierindex β des Empfindlichkeitsabgleichspeichers 16 ausgewählt. In Abhängigkeit vom Schaltzustand der Schalter 20A des Speichers 19A wird die Empfindlichkeitsfluktuation des Detektors 6 somit digital kompensiert.
Wenn, wie in 10, die den Bits 2¹, 2², 2⁴, 2⁵ und 2⁷ entsprechenden Schalter 20A die Anschlüsse a und b miteinander verbinden und die übrigen Schalter die An schlüsse a und c, ergibt sich ein Justierindex β zu: β = 1 + 73/255 (7)
Im folgenden wird die Ausführungsform der Speicher 19 und 19A erklärt.
Gemäß den vorliegenden Ausführungsformen sind diese Speicher im Signalprozessor oder dem IC 5 ausgeführt. Der Schaltzustand der Schalter 20 und 20A wird durch selektive Stromzuführung über die Anschlußflecken 3 und 4 ausgewählt.
Das Umschalten der einen Teil der Speicher 19 und 19A bildenden Schalter 20 und 20A wird beispielsweise mittels Zenerdurchbruch oder über ein Siliziumdurchschmelzverfahren durchgeführt.
Bezugnehmend auf die 13 und 14 wird im folgenden das Verfahren mit Zenerdurchbruch anhand eines Schalttransistors erklärt.
Wenn, wie in der 13 dargestellt, ein Strom i zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors fließt, ergibt sich eine Kennlinie des Spannungsabfalls v des Transistors gemäß der durchgezogenen Linie 61 in 14. Wenn der p-n-Übergang des Transistors durch das Anlegen einer hohen Spannung durchbrochen wird und somit ein großer Strom zwangsweise zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors fließt, ändert sich dessen Strom-Spannungs-Kennlinie wie durch die gepunktete Linie 60 in 14 dargestellt. Der Transistor zeigt demzufolge einen vergleichsweise großen Spannungsabfall, wenn der p-n-Übergang des Transistors nicht mittels Stromübertragung zwischen Emitter und der Basis des Transistors durchbrochen wird. Andererseits ergibt sich ein ausreichend kleiner Spannungsabfall v, nachdem der p-n-Übergang durchbrochen wurde. Wurde der p-n-Übergang des Transistors einmal durchbrochen, kann er nicht wieder aufgebaut werden. Die Schalter 20 und 20A nützen diesen Effekt aus.
In 15 bezeichnen die Ziffern 29 und 30 Feldeffekttransistoren (FETs). Ein Schalter 20 oder 20A wird hier mittels zweier FETs 29 und 30 gebildet. Die Anschlüsse a, b und c in 15 entsprechen denen in den 8, 9 und 10. Die Ziffern 31 und 32 bezeichnen Inverter, 33 einen Transistor, 34 einen Anschlußflecken und 35 einen Knoten. Wie aus 15 ersichtlich, fließt ständig ein kleiner, vorbestimmter, konstanter Strom i von der Spannungsquelle des IC 5 her zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors 33. Solange der p-n-Übergang des Transistors 33 noch nicht durchbrochen ist, ergibt sich, wie anläßlich der 14 erklärt, längs des p-n-Übergangs ein vergleichsweise großer Spannungsabfall v. Der Knoten 35 liegt dann auf hohem Spannungsniveau. Somit liegt das Gate des FETs 29 auf hohem Niveau und das Gate des FETs 30 auf niedrigem, so daß der FET 29 durchschaltet und der FET 30 sperrt. Der Schalter 20 nimmt dadurch einen Zustand an, indem die Anschlüsse a und b miteinander verbunden sind. Es sei nun angenommen, daß die vorbestimmte hohe Spannung an den Anschlußflecken 34 angelegt wird, so daß ein großer Strom durch den p-n-Übergang zwischen Emitter und Basis des Transistors 33 fließt, um den p-n-Übergang zu durchbrechen. Dann wird das Potential des Knotens 35 auf niedrigem Niveau gehalten, so daß der FET 29 sperrt und der FET 30 durchschaltet, wie in 14 dargestellt. Der Schalter 20 oder 20A nimmt somit einen Zustand an, bei dem die Anschlüsse a und c miteinander verbunden sind.
Wenn der Schalter 20 oder 20A aus 15 im Speicher 19 oder 19A der 8 bis 10 benutzt wird, kann der Anschlußflecken 34 entweder als Empfindlichkeitsjustieranschlußflecken 3 oder als Nullpunktjustieranschlußflecken 4 benutzt werden. Wenn die Zustände der Speicher 19 oder 19A durch die Auswahl der Schaltzustände der Schalter 20 oder 20A gemäß obiger Methode ausgewählt werden, können damit auch die Justierindizes α oder β der Speicher 19 oder 19A gewählt werden. Somit kann die Kompensation des Detektors 6 digital durchgeführt werden.
Das Auswählen und Umschalten der Schalter 20 und 20A unter Zuhilfenahme des Zenerdurchbruchs arbeitet digital und ist äußerst zuverlässig. Nachdem die Schalter gemäß diesem Verfahren ausgewählt und geschaltet wurden, ändert sich die Kennlinie des Detektors im Lauf der Zeit nicht mehr.
In 16 wird das Umschalten der FETs 29 und 30 durch ein über das Register 67 angelegtes Ausgangssignal des Mikrocomputers 66 durchgeführt. Mikrocomputer 66 und Register 67 sind auf dem Sensor angebracht.
Als nächstes wird bezugnehmend auf 17 die Auswahl und das Umschalten der Schalter 20 und 20A unter Zuhilfenahme des Siliziumdurchschmelzverfahrens erläutert.
In 17 bezeichnen die Ziffern 36 einen Strombegrenzungs widerstand, 37 die Schmelzsicherung aus polykristallinem Silizium, gleiche Bauteile wie die in 15 haben gleiche Bezugsziffern. Die Schmelzsicherung 37 und der Widerstand 36 sind auf dem Chip des IC 5 ausgebildet. Durch einen Strom, der größer als ein vorbestimmter Wert ist, wird die Schmelzsicherung 37 geschmolzen, so daß sie durchbrennt.
18A zeigt einen stromleitenden Zustand der Schmelzsicherung 37, 18B den durchgebrannten Zustand nach Anlegen eines großen Stroms an die Schmelzsicherung 37. Ziffer 38 bezeichnet einen geerdeten Anschlußflecken.
Solange die Schmelzsicherung 37 nicht geschmolzen ist, wird das Potential des Knotens 35 in 17 auf niedrigem Niveau gehalten. Nachdem durch Anlegen eines großen Stroms an den Anschlußflecken 34 die Schmelzsicherung 37 geschmolzen ist, ist das Potential des Knotens 35 auf hohem Niveau.
Somit können wahlweise die FETs 29 oder 30 leitend gemacht oder gesperrt gehalten werden. Dadurch können die Schalter 20 und 20A an- oder ausgeschaltet werden.
Das Durchschmelzen oder Bestehenlassen der Schmelzsicherung 37 kann als digitaler Speicher verwendet werden. Ein Sensor, bei dem dieses Verfahren angewendet wird, zeigt somit hohe Zuverlässigkeit.
In den 11 und 12 ebenso wie in den 13 bis 18 können die Schalter 20, 20' und 20'' entweder mittels Zenerdurchbruch oder über das Siliziumdurchschmelzverfahren geschaltet werden.
Die Widerstände R und 2R der 8, 9, 10 und 12 können durch Halbleiterelemente oder Kondensatoren ersetzt werden.
In 19 ist der Detektor 6 als ein Beschleunigungssensorelement ausgebildet. Das Beschleunigungssensorelement ist vom Typ eines elektrostatischen Halbleiterkondensators. Das Sensorelement wird durch drei Schichten derartig aufgebaut, daß eine Siliziumplatte 40 zwischen zwei Glasträgern 39 und 41 angeordnet ist. Durch Ätzen erhält man aus der Siliziumplatte 40 einen Kragarm 42 und eine bewegliche Elektrode 43, die als Elektrode und als Gewicht wirkt.
An den Innenseiten der Glassubstrate 39 und 41 und jeweils gegenüber der beweglichen Elektrode 43 sind feststehende Elektroden 44 vorgesehen. Wenn in 19 gemäß Pfeilrichtung eine Beschleunigung G auftritt, verschiebt sich die bewegliche Elektrode 43 nach oben oder unten, wodurch die zwischen den Elektroden 44 und der beweglichen Elektrode 43 bestehende Kapazität geändert wird. Durch die Veränderung der elektrostatischen Kapazität wird die Beschleunigung G erfaßt. Über die drei Anschlußleitungen 45 wird der Detektor 6 mit dem IC 5 verbunden. Der IC 5 umfaßt einen ΔC-Detektor 46 zur Erfassung kleiner Veränderungen ΔC der elektrostatischen Kapazität, einen Verstärker 47, einen Pulsbreitenmodulator 48, einen Inverter 49 und einen Tiefpaßfilter 50. Diese Schaltungen bilden die Signalverarbeitungsschaltung 1 gemäß 1. Das Signal V_in aus dem Tiefpaßfilter wird an die Ausgangsjustierschaltung 2 ausgegeben.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des Detektors 6 erläutert.
Die Rechteckspannung V_E gemäß 20 wird an die festen Elektroden 44 angelegt, um ein Potential der Siliziumplatte 40 von 5 Volt aufrechtzuerhalten. Die Rechteckspannung am Ausgang des Inverters 49 ist gegenüber der Rechteckspannung V_E invertiert. Wenn eine Beschleunigung G auftritt, verschiebt sich die bewegliche Elektrode, und die elektrostatischen Kapazitäten C₁ und C₂ zwischen der beweglichen Elektrode 43 und den befestigten Elektroden 44 verändern sich. Der Unterschied ΔC zwischen den elektrostatischen Kapazitäten C₁ und C₂ wird durch ein Kapazitätschaltverfahren ermittelt. Unter Ausnutzung der elektrostatischen Kraft wird eine elektronische Steuerung derartig durchgeführt, daß der Kapazitätsunterschied ΔC auf Null hin geregelt wird, daß nämlich die bewegliche Elektrode 43 einen konstanten Abstand von den befestigten Elektroden 44 hält. Geregelt wird durch die Eingabe des Ausgangssignals des ΔC-Detektors 46 aus dem Verstärker 47 in den Pulsbreitenmodulator 48; dadurch wird die Pulsbreite der Rechteckspannung V_E gesteuert, die als Ausgangssignal verwendet wird. Die Pulsbreite der Rechteckspannung V_E ändert sich also in Abhängigkeit von der Größe der auftretenden Beschleunigung G wie in 20 dargestellt. Das erfaßte Gleichspannungsausgangssignal V_in, das der Beschleunigung G entspricht, erhält man, indem die Rechteckspannung V_E durch ein Tiefpaßfilter 50 gefiltert wird. Die Pulsbreite der Rechteckspannung V_E ändert Sich proportional zur Beschleunigung G, wenn ein Zyklus 50 μs bzw. die Frequenz 20 kHz wie in 20 beträgt. Bei positiver Beschleunigung G wird die Pulsbreite verringert, bei negativer Beschleunigung G erhöht. Das Ausgangssignal V_in wird in die Ausgangsjustierschaltung 2 ausgegeben, daraus erhält man das bezüglich der Empfindlichkeit und des Nullpunkts kompensierte Ausgangssignal V_out. Bezugnehmend auf 21 wird das Kompensationsergebnis für den Sensor nach 19 erläutert. Die gepunktete Linie 62 in 21 zeigt die Empfindlichkeit des Sensors vor der Justierung der Ausgangsjustierschaltung 2. Die durchgezogene Linie 63 zeigt die gewünschte Kennlinie nach der Justierung. Indem man die Empfindlichkeit und den Nullpunkt mittels der Ausgangsjustierschaltung 2 einstellt, können beispielsweise für die Beschleunigungswerte –1 G, 0 G und +1 G die Ausgangsspannungen von 1,0 Volt, 2,5 Volt und 4,0 Volt erhalten werden.
22 zeigt die Größe der Abweichungen von zehn Stichproben, bevor und nachdem bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen die Kompensation der Empfindlichkeit durchgeführt wurde. Die Abweichungen der Empfindlichkeit betragenvor der Justierung gemäß der gepunkteten Kennlinie 62 ±25%. Durch die Justierung kann sie auf ±1% abgesenkt werden, was der durchgezogenen Kennlinie 63 entspricht.
In 23 sind der Kragarm 42 und der Beschleunigungsdetektor 6 vom Typ eines elektrostatischen Kondensators zusammen mit der Signalverarbeitungsschaltung 1 und der Ausgangsjustierschaltung 2 auf dem IC 5 ausgebildet. Bei der Ausführungsform gemäß 23 kann die Größe des Sensors reduziert werden, so daß er im Vergleich mit der Ausführungsform gemäß 1 einfacher in einem Fahrzeug angebracht werden kann. Wenn sich in der Nähe des befestigten Endes des Kragarms 42 ein Halbleiterdehnungsmeßstreifen 55 befindet, kann die Ausführungsform gemäß 23 als ein Beschleunigungssensor des Dehnungsmeßstreifentyps verwendet werden. In 24 sind am Rand der quadratischen und zur Druckerfassung vorgesehenen Membran 56 vier Halb leiterdehnungsmeßstreifen 57 angebracht.
Wegen der digitalen Justierung der Empfindlichkeit und des Nullpunktes weisen die erfindungsgemäßen Ausführungsformen eine hohe Zuverlässigkeit auf.
Außerdem kann die Größe der Abweichungen nennenswert verkleinert werden. Mittels der vorliegenden Erfindung können alle Arten von Sensoren, die klein, im einfach montierbar und billig sein sollen, mit erhöhter Fertigungsausbeute hergestellt werden.

Claims

Sensor mit einem Detektor (6) zur Erfassung einer physikalischen Größe und einem mit diesem Detektor (6) verbundenen Signalprozessor (5), wobei der Signalprozessor Justiermittel (14–17, R) zur Justierung der Kennlinie des Sensors aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiermittel Schaltmittel (20, 20', 20'', 20A) zur schrittweisen elektrischen Justierung der Kennlinie des Detektors durch Schalten der Schaltmittel (20, 20', 20'', 20A) aufweisen, wobei die Schaltmittel durch Zerstörung oder Nicht-Zerstörung von mindestens einem Transistor mit Zener-Durchbruchs-Eigenschaft oder mindestens einer Sicherung mit Hilfe eines gesteuerten Stromflusses darin geschaltet werden, ein oder mehrere Anschlußflecken (3, 4, 34) vorgesehen sind, wobei die Steuerung des Stromflusses in dem mindestens einen Transistor oder der mindestens einen Sicherung auf der Grundlage eines Signals von dem oder den Anschlußflecken (3, 4, 34) durchgeführt wird, und die Stromflußsteuerung in dem mindestens einen Transistor oder der mindestens einen Sicherung auf der Grundlage eines Signals von einem am Sensor angebrachten Mikrocomputer (66) durchgeführt wird.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiermittel (14–17, R) eine Anzahl von Schaltmitteln (20, 20', 20'', 20A) aufweisen, um durch digitales Wählen der Schaltmittel eine gewünschte Kennlinie des Detektors (6) zu erhalten.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiermittel (14, 17, R) eine Anzahl von Abgleichelementen (R, 2R) und eine Anzahl von Schaltmitteln (20, 20', 20'', 20A) aufweisen, die mit den Abgleichelementen zur Auswahl eines Ausgangssignals eines jeden Abgleichelements durch Einstellen der Schaltmittel verbunden sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zur Erfassung des Unterdrucks im Luftansaugrohr eines Motors eingerichtet ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zur Erfassung der Beschleunigung eingerichtet ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiermittel (14–17, R) einen Nullpunktabgleichspeicher (14) und/oder einen Empfindlichkeitsabgleicher (16) aufweisen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiermittel (14–17, R) außerdem Mittel (65) zur Temperaturkompensation aufweisen.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor eine Signalverarbeitungsschaltung (1) und eine Ausgangsjustierschaltung (2), die die Kennlinie des Detektors justiert, aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) und der Signalprozessor (5) auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (5) eine Signalverarbeitungsschaltung (1) und eine Ausgangsjustierschaltung (2) zur Justierung der Kennlinie des Detektors (6) aufweist.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) auf einem ersten Halbleitersubstrat und der Signalprozessor (5) auf einem zweiten Halbleitersubstrat aufgebaut ist.