DE69016346T3

DE69016346T3 - Messaufnehmer mit Selbsteichfunktion.

Info

Publication number: DE69016346T3
Application number: DE69016346T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Kaneyasu; Hiroshi Kuroiwa; Satoshi Shimada; Seiko Suzuki; Shigeki Tsuchitani; Seiichi Ugai; Yoshihiro Yokota
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-10-20
Filing date: 1990-10-11
Publication date: 2000-02-03
Anticipated expiration: 2010-10-12
Also published as: DE69016346D1; DE69032031D1; DE69016346T2; EP0423622B2; EP0606115B1; KR910008380A; EP0423622A1; EP0423622B1; DE69032031T2; US5174884A; KR0175300B1; US5574211A; US5429736A; EP0606115A1; JPH03134552A; US5391283A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zur Erfassung einer physikalischen Größe von einem Wert eines von einer physikalischen Größe konvertierten elektrischen Signals, insbesondere auf einen Detektor mit Selbsteichfunktion und Charakteristik-Korrekturfunktion.

Stand der Technik:

Bisher war ein konventioneller Detektor, wie zum Beispiel in JP-A-61-31952 offenbart, so angeordnet, daß die Meßoperation gestoppt wird, um eine als Offline-Task ausgeführte Eichoperation zu starten. Außerdem ist in JP-A-61-212753 eine Einrichtung beschrieben, die durch Analyse der am Detektor beobachteten Charakteristik eine Verschlechterung erfassen kann. Auch die Einrichtung dieses Typs führt aber die Operation zur Verschlechterungsdiagnose als Offline-Task aus.
Die konventionelle Eichung wurde zu dem Zweck realisiert, Offline-Tasks zu automatisieren. Außerdem sollte die Zuverlässigkeit eines Detektors durch Beobachtung der Leitung und gegebenenfalls Auslösen eines Alarms als Online-Task verbessert werden. Da jedoch keine Maßnahme zur Durchführung der Eichung als Online-Task ergriffen wurde, stellt sich das Problem, daß die Messung während einer Zeit gestoppt wird, die, verglichen mit der Zeit, in der sich der Meßwert ändern kann, relativ lang ist.
US-A-4 225 851 offenbart ein Detektorsystem zur Messung der Belastung bei rotierenden Turbinenelementen unter Betriebsbedingungen. Um Rauscheffekte innerhalb des Systems zu minimieren, wird ein Eichsignal zur Anpassung einer Verstärkung zugeführt. US-A-4 673 870 beschreibt eine Feldsonde, die sich dadurch eichen läßt, daß die Sonde in ein bekanntes Standardfeld gebracht wird. WO-A-89/03019 bezieht sich auf ein System zur Eichung eines Sensorsystems und zur Speicherung der Eichungshistorie des Sensors in einem nicht flüchti gen Speicher. DE-C-31 27 637 offenbart ein Detektorsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren hierfür mit den Merkmalen des Obergriffs des Anspruchs 10.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Detektor bereitzustellen, der eine Selbstdiagnose durchführen kann, um Fehler - insbesondere solche, die aus einer Verschlechterung resultieren - zu korrigieren. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen kompakten Detektor bereitzustellen, der selbstdiagnosefähig und einfach herzustellen ist.
Diese Aufgaben werden durch die in den unabhängigen Ansprüchen dargelegte Erfindung gelöst.
Die Zeit für die Diagnose bzw. die Korrektur-Operation sollte wesentlich kürzer sein als die Zeit, innerhalb der sich der Meßwert ändern kann. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Meßdaten gegen Störungen bzw. Fehler aufgrund der während der Meßoperation durchgeführten Eichung bzw. Korrektur-Operation geschützt werden müssen. Seit kurzem stehen aufgrund des Fortschritts der LSI-Technologie für das Gerät zur elektrischen Signalverarbeitung sehr schnelle ICs zur Verfügung. Bei der so realisierten Geschwindigkeit der elektrischen Signalverarbeitung sind einige 10 bis 100 ms ausreichend, was den Wert der für die Durchführung von Messungen in Automobilen benötigten Zeit darstellt, bei denen sich die zu messenden Werte in einer relativ kurzen Zeit ändern. Es gilt also, die für den Betrieb der Detektoreinrichtung verwendete Zeit zu verkürzen. Dementsprechend verwendet die vorliegende Erfindung eine neben der Detektoreinrichtung angeordnete Stimulationseinrichtung für die Stimulation und den Betrieb der Detektoreinrichtung. Es läßt sich eine Struktur realisieren, bei der ein kleiner Sensor bzw. Detektor mit einer Größe von zum Beispiel einigen hundert Mikrometern und ein Stellorgan, d. h. die Stimulationseinrichtung, mittels der kürzlich erheblich verbesserten Mikro-Technologie für Silicium oder ähnliches integriert werden können. Deshalb kann eine kompakte und integrierte Stimulationseinrichtung ein Stimulationssignal ohne Verzögerung an den Detektor liefern.
Weiterhin ist es notwendig, dem Detektor ein genaues Stimulationssignal zuzuführen und die Reaktion des Detektors korrekt zu messen. Deshalb wird entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Aufbau verwendet, bei dem dem Detektor über eine Signalverarbeitungsschaltung mit einem genauen, hochauflösenden Analog/Digital-Wandler ein Stimulationssignal zugeführt wird. Ferner wird das für den Detektor typische elektrische Ansprechsignal verarbeitet. Außerdem führt ein Mikrocomputer einen geeigneten Selbstdiagnose-Algorithmus genau und schnell durch.
Um die andere Aufgabe der Erfindung zu lösen, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Aufbau verwendet, bei dem die Verarbeitungseinrichtung mit einer Kommunikations-Funktion ausgestattet ist, wobei die Selbsteichung und die Korrektur der Charakteristik durch eine andere Kommunikationseinrichtung von einer entfernten Stelle aus instruiert und das Ergebnis der Selbstdiagnose sowie der Korrektur der Charakteristik bestätigt werden.
Der Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß die Stimulationseinrichtung neben der Detektoreinrichtung integriert ist, so daß das Eichsignal durch die Stimulationseinrichtung zugeführt werden kann. So läßt sich die Verzögerung der Antwort vom Detektor erheblich verkürzen. Außerdem kann zur Verkürzung der Zeit für die Selbstdiagnose im Verhältnis zu der Zeit, in der sich die zu messenden Werte verändern, eine sehr schnelle Signalverarbeitungsschaltung verwendet werden. So kann der Ausgang des Detektors vor Störungen geschützt werden, obwohl die Selbstdiagnose während der Meßoperation erfolgt. Eine sogenannte "Online-Diagnose" ist also durchführbar.
Außerdem wird die während der Operation erhaltene Charakteristik immer aufgrund eines Vergleichs mit der Anfangscharakteristik des Detektors, basierend auf einer Diagnose und einem in der Verarbeitungseinrichtung vorher vorbereite ten Korrekturalgorithmus, korrigiert. So läßt sich die Anfangsleistung beibehalten und die Zuverlässigkeit erheblich verbessern.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im folgenden weiter veranschaulicht:

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltdiagramm für eine Signalverarbeitungseinrichtung;
Fig. 3 bis 6 zeigen den Betrieb einer elektrostatischen Kapazität als Drucksensor;
Fig. 7A und 7B zeigen Flußdiagramme des Betriebs eines Mikrocomputers;
Fig. 8 bis 11 zeigen den Betrieb von Halbleiter-Beschleunigungssensoren; und
Fig. 12 bis 13 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird der Grundaufbau eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bezugsziffer 1 stellt die Detektoreinrichtung dar, Bezugsziffer 2 die neben der Detektoreinrichtung 1 angeordnete und mit ihr integrierte Stimulationseinrichtung. Bezugsziffer 3 stellt eine Baugruppe, bestehend aus dem Detektor 1 und der Stimulationseinrichtung 2, dar. Bezugsziffer 4 stellt eine gemäß Fig. 2 aufgebaute Signalverarbeitungseinrichtung dar, die die Detektoreinrichtung 1 und die Stimulationseinrichtung 2 mit einer Versorgungsspannung Ex für den Betrieb versorgt und das der Stimulationseinrichtung 2 zuzuführende Eichsignal verarbeitet. Weiterhin ist die Signalverarbeitungseinrichtung 4 mit einer sogenannten "Signaleinstellfunktion" ausgestattet, die ein Ansprech-Ausgangssignal der Detektoreinrichtung 1 verstärken bzw. konvertieren kann. Außerdem hat die Signal verarbeitungseinrichtung 4 eine Funktion zur Eichung des Eingangs bzw. Ausgangs sowie eine Charakteristik-Korrekturfunktion, die mittels Digitaldatenverarbeitung durch einen Mikrocomputer 44 realisiert wird. Bezugsziffer 5 bezeichnet einen Detektor mit den oben beschriebenen Elementen. Gewöhnlich konvertiert der Detektor eine physikalische Eingangsgröße wie einen Druck, eine Entladung oder eine Beschleunigung in eine digitale Größe mit einer bestimmten Anzahl von Bits für den Ausgang. Bezugsziffer 7 bezeichnet eine Kommunikationseinrichtung zum Senden/Empfangen eines Kommandosignals und eines Ausgangssignals zu bzw. von der Signalverarbeitungseinrichtung 4, wobei die Kommunikationseinrichtung 7 außerdem eine Anzeigefunktion für das Kommando- und das Ausgangssignal aufweist.
Fig. 2 zeigt den spezifischen Aufbau einer Schaltung, die als Signalverarbeitungseinrichtung 4 dient. Als Reaktion auf ein vom Mikrocomputer 44 mit einem Speicher 45 erteiltes Kommando wird ein Multiplexer 411 so betrieben, daß er den Empfang des von der Detektoreinrichtung 1 gesendeten Ausgangssignals durch einen Verstärker 412a und einen Analog/Digital-Wandler bewirkt. Infolgedessen wird das so empfangene Ausgangssignal in ein Digitalsignal umgewandelt. Entsprechend dem durch das Digitalsignal dargestellten Wert liefert die Signalverarbeitungseinrichtung 4 die Versorgungsspannung Ex oder das Eichsignal über einen weiteren Verstärker 412b an die Stimulationseinrichtung 2. Infolgedessen kann ein genaues Detektorsignal zur Fehlerkorrektur erhalten werden.
Im folgenden wird, bezugnehmend auf einen mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Drucksensor, das Prinzip der Bereichs-Eichoperation beschrieben, um die Erfindung im Detail zu beschreiben.
Wie in Fig. 3 zu sehen, ist bei dem mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Drucksensor eine durch eine Druckdifferenz ΔP verschiebbare Elektrodenplatte 12 zwischen Elektrodenplatten 11a und 11b angeordnet, deren jede eine Fläche A aufweist. Der Abstand zwischen jedem Elektrodenpaar der Elektrodenplatten beträgt X&sub0;, solange keine Druckdifferenz auftritt. Außerdem sind die Räume zwischen den Elektroden mit einer Substanz einer Dielektrizitätskonstante &epsi; ausgefüllt.
Tritt eine Druckänderung auf, so verschiebt sich die mittlere Elektrode, wie in Fig. 4 zu sehen, um ΔX. Da die Verschiebung im wesentlichen proportional zur Druckänderung ist, gilt die Beziehung (ΔX = k · ΔP), wobei k die Compliance (Reziprokwert zur Federkonstante) ist.
Unter der Annahme, daß sich k mit der Zeit ändert, kann k als Funktion der Zeit T ausgedrückt werden, also k (T). Als Folge der oben beschriebenen Verschiebung der mittleren Elektrodenplatte 2 ergibt sich eine Kapazitätsänderung ΔC zwischen den Kapazitäten C&sub1; und C&sub2;, wobei C&sub1; die Kapazität zwischen den Elektroden 21a und 12 und C&sub2; die Kapazität zwischen den Elektroden 11b und 12 darstellt.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung läßt sich die Kapazitätsänderung ΔC aufgrund der Druckänderung durch folgende Gleichung beschreiben:
e = DC/C&sub1; + C&sub2; E (1)
Hierbei ist E die Erregerspannung, e die zu erfassende Spannung und ΔC die Differenz C&sub2;-C&sub1;. Alternativ hierzu läßt sich die Spannung durch die geladene Druckdifferenz ΔP wie folgt ausdrücken:
e = k(T)/X&sub0; ΔPE
Wie aus der oben beschriebenen Gleichung (2) zu ersehen, ändert sich die erfaßte Spannung emax, also der Ausgangsbereich, zeitlich bei maximaler Druckdifferenz ΔPmax, wenn sich die Compliance k zeitlich ändert.
Die Spannung V der mittleren Elektrode wird zur Verschiebung Δxv aufgrund der elektrostatischen Kraft angelegt, so daß die zu diesem Zeitpunkt generierte Ausgangsspannung e zum Zwecke der Eichung der oben beschriebenen Bereichsänderung, basierend auf der obigen Beziehung, gemessen wird.
Zuerst wird die Eichspannung V (siehe Fig. 5) entsprechend der folgenden Gleichung (3) ausgewählt:
V = E/2 + v (3)
Jedoch hat unter der Annahme (v < < E/2) die Verschiebung aufgrund der Spannung einen Wert, der durch ΔX (siehe Fig. 6) ausgedrückt und durch folgende Gleichung (4) gegeben ist:
Dxv = &epsi;²A³/X&sub0;² k(T)E · v (4)
Die Ausgangsspannung e zu diesem Zeitpunkt ist durch folgende Gleichung beschrieben:
Der Bereich kann also, da sich k(T) durch Verändern von V ermitteln läßt, geeicht werden.
Im folgenden wird die Prozedur beschrieben.
Definitionsgemäß haben die Ausgänge bei Anlegen der Eichspannungen V&sub1; und V&sub2; die Werte e&sub1; und e&sub2;. Um aus Gleichung (5) den vom Druck abhängenden Ausdruck zu eliminieren, wird folgende Rechnung durchgeführt:
Ferner ist das Verhältnis zu Δe bei anfänglichem T = 0 gegeben durch:
Durch die Verwendung des so erhaltenen d läßt sich der Eichausgang e durch folgende Gleichung erhalten:
= d · e (wobei v = 0).
Die Fig. 7A und 7B zeigen Flußdiagramme für einen vom Mikrocomputer auszuführenden Prozeß. Fig. 7A zeigt die Hauptroutine, bei der die gewöhnliche Meß-Task der Route 1 folgt. Auf der Route 1 wird die Detektorspannung e bei v = 0 in Gleichung (5) gemessen, um durch Multiplikation mit dem Eichkoeffizienten d die Eichspannung zu erhalten. Daraus wird die Eichspannung , die der letzte erfaßte Wert ist, erhalten. Der oben beschriebene Eichkoeffizient d wird längs der Route 2 ermittelt. Das Programm für den Mikrocomputer weist eine in Fig. 7B dargestellte Eichmeß-Unterroutine auf, die den Differenzwert Δe zwischen den Detektorspannungen e&sub1; und e&sub2; ermittelt, wobei die Detektorspannungen e&sub1; und e&sub2; durch Messungen erhalten werden, bei denen die Eichimpulsspannungen V&sub1; und V&sub2; angelegt werden.
Die Eichung umfaßt eine Anfangseichung und eine optionale Eichung. Die Anfangseichung erfolgt bei der Auslieferung des Produkts aus einer Produktionsanlage, wobei sie so ausgeführt wird, daß ein Anfangsdifferenzwert (Δe-init) durch den Prozeß längs Route 3 berechnet und gespeichert wird. Die Route 2 wird als optionale Eichung durchlaufen, wobei der momentane Differenzwert (Δe-present) ermittelt wird, um den Eichkoeffizienten d zu erhalten, der das Verhältnis zu Δeinit angibt. Der so erhaltene Eichkoeffizient d wird zur Aktualisierung des vorherigen Wertes gespeichert.
Wie oben beschrieben, läßt sich der Druck, dessen Empfindlichkeitsdrift durch die durch Multiplikation der Detektorspannung e mit dem Eichkoeffizienten d erhaltenen Eichspannung korrigiert wird, ermitteln.
Die Fig. 8 und 9 zeigen jeweils den grundsätzlichen Aufbau eines mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden und eines mit piezoelektrischen Widerstand arbeitenden Halbleiter-Beschleunigungssensors, die zwei typische Ausführungsbeispiele darstellen, wobei die Sensoren in Silicium-Mikrotechnologie hergestellt werden.
Der Beschleunigungssensor ermittelt eine Beschleunigung durch Messen einer Trägheitskraft, die bei Beschleunigung auf eine bestimmte Masse wirkt. Jeder der in den Fig. 8 und 9 dargestellten Beschleunigungssensoren ist so aufgebaut, daß durch anisotropes Ätzen auf einem mittleren Siliciumsubstrat 51 eine Last 53 und ein die Last 53 haltender Tragarm 54 aus gebildet sind. Bei einer Beschleunigung α wirkt eine Trägheitskraft E&sub1; = mα auf die Last (Masse m) und bewirkt eine Verschiebung dieser Last. Andererseits wirkt der Tragarm als Feder, so daß er auf die Last eine durch F&sub2; = ax ausgedrückte Federkraft F&sub2; überträgt, wobei a eine Federkonstante und x die Verschiebung ist und die Federkraft F&sub2; in umgekehrter Richtung zur Verschiebung wirkt. Folglich verschiebt sich die Last in die Position, an der die oben beschriebenen Kräfte miteinander im Gleichgewicht sind. Aus der Funktion F&sub1; = F&sub2;x ergibt sich die Verschiebung x zu:
x = md/a (I)
Die Beschleunigung α läßt sich also aus der Verschiebung x ermitteln.
Der in Fig. 8 dargestellte mit elektrostatischer Kapazität arbeitende Beschleunigungssensor umfaßt eine obere feste Elektrode 55a und eine untere feste Elektrode 55b. Diese befinden sich auf der Oberfläche des oberen Substrats 52a bzw. des unteren Substrats 52b, die an das mittlere Siliciumsubstrat 51 grenzen. Der mit elektrostatischer Kapazität arbeitende Beschleunigungssensor mißt die Beschleunigung, indem die Verschiebung x nach Gleichung (I) aus der elektrostatischen Kapazität zwischen den festen Elektroden und der Last (verschiebbare Elektrode) ermittelt wird.
Außerdem ist der in Fig. 9 dargestellte, mit einem piezoelektrischen Widerstand arbeitende Beschleunigungssensor so aufgebaut, daß ein Meßabschnitt 58 mit einer Störstoff-Diffusionszone auf dem Tragarm 54 gebildet ist. Wird die Last 53 durch eine Beschleunigung verschoben, so verformt sich der Tragarm 54; dies bewirkt eine Veränderung des elektrischen Widerstands des Meßabschnitts 58 durch den Effekt des piezoelektrischen Widerstands. Die Verschiebung läßt sich aus dem elektrischen Widerstand des Eichabschnitts erhalten, so daß die Beschleunigung ermittelt wird.
So läßt sich durch die Signalverarbeitungsschaltung, die die elektrostatische Kapazität zwischen der Last und den festen Elektroden bzw. den elektrischen Widerstand des Eichab schnitts verarbeitet, ein der Beschleunigung entsprechendes Ausgangssignal V(α) erhalten. Da der Ausgang und die Beschleunigung α gewöhnlich so verarbeitet werden, daß eine lineare Beziehung beibehalten wird, läßt sich der Ausgang V(α) durch folgende Gleichung beschreiben:
V(α) = pα + q (II)
Es wird angenommen, daß sich der Beschleunigungssensor, aus welchen Gründen auch immer, mit der Zeit verändert. Handelt es sich um eine Veränderung, bei der die Beziehung zwischen der Beschleunigung und dem Ausgang im wesentlichen linear bleibt, so ist der Ausgang eine Funktion der Zeit. Der Ausgang läßt sich also wie folgt beschreiben:
V(α,t) = p(t)α + q(t) (III)
Ist der Bereich p(t) und der Nullpunkt q(t) der Beschleunigungs-Ausgangscharakteristik (III) genau bekannt, so läßt sich die Beschleunigung α durch Messung des Ausgangs V(α,t) genau bestimmen.
Sind p(t) und q(t) in Gleichung (III) unbekannt, so können sie dadurch erhalten werden, daß auf irgendeine Weise zwei voneinander verschiedene Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; erzeugt und die den beiden Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; entsprechenden Ausgänge V(α&sub1;,t) und V(α&sub2;,t) gemessen werden; p(t) und q(t) lassen sich dann aus dem folgenden Gleichungssystem ermitteln:
V(α&sub1;,t) = p(t)α&sub1; + q (t)
V(α&sub2;,t) = p(t)α&sub2; + q (t) (IV)
Andererseits entspricht die Beschleunigung α der durch die Gleichung (I) gegebenen Verschiebung x der Last. Folglich ist die Bestimmung der Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; gleichbedeutend mit der Bestimmung der Verschiebungen x&sub1; und x&sub2;, die den Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; entsprechen. Aus den Gleichungen (I) und (IV) lassen sich also folgende Beziehungen erhalten:
V(x&sub1;,t) = p'(t)x&sub1; + q (t)
V(x&sub2;,t) = p'(t)x&sub2; + q (t) (V)
wobei p'(t) = kp(t)/m (VI)
Die in Gleichung (5) vorbestimmten Verschiebungen x&sub1; und x&sub2; lassen sich relativ einfach realisieren. Das heißt, der Aufbau kann so sein, daß die Last durch ein Stellorgan zwangsverschoben wird und sich die Charakteristik des Sensorausgangs V(x,t) bei den vorbestimmten Verschiebungen x&sub1; und x&sub2; deutlich verändert. Alternativ kann der Aufbau aber auch so sein, daß eine weitere Verschiebung gehemmt wird.
Die Fig. 10 und 11 zeigen Beispiele des oben beschriebenen Aufbaus, bei dem Anschläge 60a und 60b jede über ein bestimmtes Maß hinausreichende Verschiebung verhindern, selbst wenn eine Beschleunigung bzw. eine externe Kraft auf die Last wirkt. Sind die bei Kontakt der Lasten mit den Anschlägen 60a und 60b erhaltenen Verschiebungen x&sub1; und x&sub2; vorher bekannt, so lassen sich p(t) und p(t) durch die Messen der Ausgänge V (x&sub1;,t) und V (x&sub2;, t) zu diesem Kontaktzeitpunkt nach den Gleichungen (V) und (V&sub1;) erhalten.
Um die Last zu einem gewünschten Zeitpunkt zu verschieben und sie im Falle des mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Sensors mit den Anschlägen zu kontaktieren, wird zwischen der Last und der oberen festen Elektrode 55a bzw. der unteren festen Elektrode 55b eine Spannung angelegt, welche die elektrostatische Kapazität und die elektrostatische Kraft zwischen diesen beiden bewirkt. Im Falle des mit einem piezoelektrischen Widerstand arbeitenden Sensors werden die obere feste Elektrode 55a und die untere feste Elektrode 55b gebildet und zwischen der Last und der oberen festen Elektrode 55a bzw. der unteren festen Elektrode 55b Spannung angelegt.
Wie oben beschrieben, kann die zeitliche Änderung der Beschleunigungsausgangs-Charakteristik durch eine einfache Berechnung auf der Grundlage des durch periodisches Anlegen einer Spannung zwischen den festen Elektroden und der Last erhaltenen Ausgangs korrigiert werden. Die Korrektur läßt sich sogar durchführen, wenn auf den Sensor eine Beschleunigung wirkt.
Entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Verschiebung der Last gemessen und die Beschleunigung aus der so gemessenen Verschiebung erhalten. Als typischer Beschleunigungssensor ist auch ein Servo-Beschleunigungssensor bekannt. Der Servo-Sensor ist so gebaut, daß die Verschiebung der Last gemäß einer Beschleunigung gemessen wird und das die Verschiebung repräsentierende Signal rückgekoppelt wird. Weiterhin wirkt als Reaktion auf das Signal, auf welche Weise auch immer, im Sensor eine entgegengerichtete Kraft auf die Last, so daß diese in ihre ursprüngliche Position zurückgestellt wird. Da die Stärke der Rückkopplung der Größe der Beschleunigung entspricht, wird die Beschleunigung aus der Rückkopplung erhalten. Entsprechend diesem Verfahren ist die Verschiebung, unabhängig von der Beschleunigung, im wesentlichen konstant.
Ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Verschiebung oft durch das Verfahren der elektrostatischen Kapazität bzw. des piezoelektrischen Widerstands gemessen. Außerdem wird entsprechend der Rückkopplung eine Kraft auf die Last ausgeübt, wobei es sich um eine elektrostatische oder um eine magnetische Kraft handelt.
Bei dem Servo-Sensor ist die Beziehung zwischen dem Endausgangssignal und der Beschleunigung gewöhnlich durch die Gleichung (II) ausgedrückt. Es wird angenommen, daß neben der der Rückkopplung entsprechenden Kraft im Servosystem eine zweite Kraft F auf die Last wirkt. Der Ausgang des Sensors zu diesem Zeitpunkt läßt sich durch folgende Gleichung beschreiben:
V(α,F) = p(α + F/m) + q (VII)
Wirken vorbestimmte Kräfte F&sub1; und F&sub2;, so gelten folgende Beziehungen:
V(α, F&sub1;) = p(α + F&sub1;/m) + q (VII)
V(α, F&sub2;) = p(α + F&sub2;/m) + q
Durch Subtraktion der unteren Gleichung von der oberen erhält man die folgende Gleichung:
V(α, F&sub1;) - V(α, F&sub2;) = p(F&sub1; - F&sub2;)/m (IX)
Sind V(α, F&sub1;), V(α, F&sub2;), F&sub1;, F&sub2; und m bekannt, so läßt sich p ermitteln.
Wird der Sensor durch ein Stellorgan, z. B. einen Motor, bei unveränderter Einwirkung der Kraft F (F kann 0 sein) auf den Kopf gestellt, so kehrt sich die Richtung der Beschleunigung sowie die der zweiten auf den Sensor wirkenden Kraft um. Der Ausgang ist also wie folgt beschrieben:
V(-α, -F) = p (-α -F/m) + q (X)
Durch Addition der Gleichungen (7) und (10) erhält man folgende Beziehung:
V(α, F) + V(-α, -F) = 2q (XI)
q läßt sich also aus Gleichung (XI) ermitteln.
Die Fig. 12 und 13 zeigen jeweils spezielle Beispiele für den Aufbau des Sensors. Fig. 12 zeigt den Aufbau für die Messung einer Verschiebung unter Verwendung der elektrostatischen Kapazität, Fig. 13 zeigt den Aufbau für die Messung einer Verschiebung unter Verwendung des piezoelektrischen Widerstands. Bei beiden Geräten wirkt, durch Verwendung der elektrostatischen Kraft zur Bildung eines Servosystems, die der Rückkopplung entsprechende Kraft sowie die zweite Kraft auf die Last. Die Bezugsziffern 61a und 61b bezeichnen Elektroden für die Erkennung der der Verschiebung entsprechenden elektrostatischen Kapazität. Die Bezugsziffern 62a und 62b bezeichnen Elektroden für die Anwendung der elektrostatischen Kraft für den Servo-Effekt. Die Bezugsziffern 63a und 63b bezeichnen Elektroden für die Anwendung der elektrostatischen Kraft mit dem Zweck, die zweite Kraft auf die Last anzuwenden. Diese Elektroden können in Kombination verwendet werden, indem eine Schaltung für das Servo-System und das zur Zufüh rung einer elektrostatischen Kraft, mit entsprechendem Aufbau, eingerichtet wird.
Da die Verschiebung der Last im Servo-Sensor im wesentlichen konstant ist, ist der Zwischenraum zwischen jeder der beiden eine elektrostatische Kraft ausübenden Elektroden 63a und 63b und der Last konstant. Deshalb lassen sich die konstanten Kräfte F&sub1; und F&sub2; aus Gleichung (VIII) leicht durch Ändern der an die die elektrostatische Kraft ausübenden Elektroden 63a und 63b angelegten Spannung erhalten. Die Größe der jeweiligen Kräfte F&sub1; und F&sub2; läßt sich also ermitteln, wenn die Elektrodenflächen, die Größe der Zwischenräume und der anzulegende Spannungspegel vorher bekannt sind.
Entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ergibt sich ein Vorteil dadurch, daß die zeitliche Änderung der Beschleunigungsausgangs-Charakteristik des Servo-Beschleunigungssensors korrigiert werden kann.

Claims

1. Detektorsystem zum Erfassen einer physikalischen Größe als eine elektrische Größe mit

einer Detektoreinrichtung (1), die einen Sensorabschnitt aufweist, wobei die physikalische Größe direkt auf den Sensorabschnitt wirkt und eine Wirkung auf den Sensorabschnitt hervorruft, die zu einem Ausgabesignal der Detektoreinrichtung führt,

einer Signalverarbeitungseinrichtung (4) zum Verarbeiten des Ausgabesignals der Detektoreinrichtung und zur Diagnose der Detektoreinrichtung, und

einer Stimuliereinrichtung (2) zum Stimulieren der Detektoreinrichtung (1) unter Steuerung durch die Signalverarbeitungseinrichtung (4), wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (4) eine Auswertung des Ausgabesignals der Detektoreinrichtung, das durch die Stimuliereinrichtung bewirkt wird, ausführt, um den Zustand der Detektoreinrichtung zu diagnostizieren,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Stimuliereinrichtung (2) die Detektoreinrichtung (1) Online während des Meßbetriebs des Detektorsystems durch Liefern eines Stimulationssignals an den Sensorabschnitt der Detektoreinrichtung stimuliert, so daß der Sensorabschnitt der Detektoreinrichtung direkt in einen Betriebszustand gebracht wird, in dem dieselbe Wirkung auf den Sensorabschnitt erzielt wird, wie sie durch die physikalische Größe erzeugt wird, wobei die Verarbeitungseinrichtung (4) das Ausgabesignal der Detektoreinrichtung (1) auswertet, das aus dem Betriebszustand des Sensorabschnitts, der durch das Stimuliersignal bewirkt wird, resultiert, um den Zustand der Detektoreinrichtung (1) zu diagnostizieren.

2. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (4) das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (1) entsprechend der Größe der bei der Diagnose erfaßten Änderung korrigiert.

3. Detektorsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Kommunikationseinrichtung (7) und eine Einrichtung zur Anzeige der Diagnoseergebnisse.

4. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (1), die Stimulationseinrichtung (2) und die Verarbeitungseinrichtung (4) auf einem Siliciumsubstrat ausgebildet sind.

5. Detektorsystem nach Anspruch 3, wobei die Kommunikationseinrichtung (7) mit mehreren Detektoreinrichtungen kommuniziert, deren jede einen Identifikationscode aufweist.

6. Detektorsystem nach Anspruch 4, wobei die Detektoreinrichtung (1) und die Stimulationseinrichtung (2) auf einem monokristallinen Siliciumsubstrat ausgebildet und durch anisotropes Ätzen unter Verwendung einer auf dem monokristallinen Siliciumsubstrat vorgesehenen Oxid- oder Nitridschicht als Maske gefertigt sind.

7. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (1) und die Stimulationseinrichtung (2) über Borsilikatglas elektrostatisch gekoppelt sind.

8. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (1) einen Spannung erzeugenden Körper mit einer piezoelektrischen Widerstandseinrichtung (58) umfaßt, wobei ein Eichspannungssignal über eine elektrostatische Kapazität angelegt wird, die im mittleren Abschnitt des die Stimulationseinrichtung (2) darstellenden, Spannung erzeugenden Körpers gebildet wird.

9. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (1) eine veränderbare elektrostatische Kapazität mit einer beweglich gehaltenen Elektrode (53) und zumindest einer festen Elektrode (55a, 55b) ist, und wobei ein Eichsignal über eine von der beweglichen Elektrode (53) und einer weiteren festen Elektrode (55a, 55b) gebildete, als Stimulationseinrichtung (2) dienende elektrostatische Kapazität angelegt wird, um die Größe der veränderbaren elektrostatischen Kapazität zu messen und die Empfindlichkeit entsprechend der Kapazitätsänderung zu eichen.

10. Verfahren zum Verarbeiten von Daten in einem Detektorsystem zum Erfassen einer physikalischen Größe als eine elektrische Größe, wobei das Detektorsystem eine Detektoreinrichtung (1) mit einem Sensorabschnitt, wobei die physikalische Größe direkt auf den Sensorabschnitt wirkt und eine Wirkung auf den Sensorabschnitt hervorruft, die zu einem Ausgabesignal der Detektoreinrichtung führt, eine Signalverarabeitungseinrichtung (4) und eine Stimuliereinrichtung (2) aufweist,

mit den Verfahrensschritten

Stimulieren der Detektoreinrichtung (1) über die Stimuliereinrichtung (2) unter Steuerung durch die Signalverarbeitungseinrichtung (4) und

Auswerten des Ausgabesignals der Detektoreinrichtung (1) , das von der Stimuliereinrichtung (2) erzeugt wird, durch die Signalverarbeitungseinrichtung (4), um den Zustand der Detektoreinrichtung zu diagnostizieren,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Stimulierschritt durch Liefern eines Stimuliersignals an den Sensorabschnitt der Detektoreinrichtung (1) Online während des Meßbetriebs ausgeführt wird, so daß der Sensorabschnitt der Detektoreinrichtung direkt in einen Betriebszustand gebracht wird, in dem dieselbe Wirkung auf den Sensorabschnitt erzielt wird, wie sie durch die physikalische Größe erzeugt wird,

daß beim Auswerteschritt das Auswertesignal der Detektoreinrichtung (1) ausgewertet wird, das aus dem Betriebszustand des Sensorabschnitts, der durch das Stimuliersignal bewirkt wird, resultiert, und

daß als weiterer Schritt Ausgabesignale der Detektoreinrichtung (1) auf der Grundlage des Diagnoseergebnisses kalibriert werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung entsprechend der Größe der während der Diagnose erfaßten Änderung korrigiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Diagnose auf einen von einer Kommunikationseinrichtung ausgegebenen Befehl hin durchgeführt wird.