JP5095927B2 - センサ - Google Patents

Description

本発明は、電気導体を用いて電気接続が形成されている、マイクロメカニカル機能部と電子的な処理回路部とを備えているセンサから出発している。

コムストラクチャを有する容量的に評価処理されるイナーシャルセンサ、殊に加速度センサでは、信号は２つのコンタクト（Ｃ１，Ｃ２）を介して電子処理回路とセンサエレメントとの間で伝送される。更に別のコンタクト（ＣＭ）を介して電気容量的に、コムストラクチャの変位状態が加速度の関数として得られる。センサエレメントの基板はこのために第４のコンタクト、すなわち基板コンタクト（ＣＳ）を介して電子処理回路から規定の電位に保持される。この基板コンタクトが作動中、障害のある接続技術または疲労により分離されると、この高抵抗のまたは開いた接続の結果としてドリフトする電位が生じる。磁力線の移動およびこれに対応する、コムストラクチャの変位により、外部に加わっている加速度の状態に相応する状態が静電的な形態において、それが実際に存在していなくとも生ずる可能性がある。このようなことに鑑みると、ＥＳＰ、エアバッグ、ロール・オーバ、ＡＢＳなどのような安全性に関連している用途の場合には殊に、電気接続のエラー識別が必要になってくる。

従来技術によるセンサ、例えばＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ ＧｍｂＨ社製の加速度センサシリーズＳＭＢ２２０において、このエラー識別、殊にコンタクト／ボンディング剥がれは別のコンタクトによって保証される。２つのコンタクトを介して供給される電流によって、接続が万が一解離されても電位差を検出することができる。電気接続が冗長的に実現されている場合、同じ機能を果たす２つのコンタクトが切り離される確率は低い。しかしマイクロメカニカルセンサがますます小型化していくなかで、コンタクト面および電気的な導体接続の所要スペースはますます制限要因になってきている。
『Product information SMB220 Linear Acceleration Sensor with digital signal processing and output』(Robert Bosch GmbH社2001年)

本発明の課題は、電気導体を用いて電気接続が形成されている、マイクロメカニカル機能部と電子的な処理回路とを備えているセンサにおいて、所要スペース面で有利に構成され、信頼性も向上されたセンサを提供することである。

この課題は本発明によれば、上に述べた形式のセンサから出発して、前記電子的な処理回路が、電子処理モジュール、刺激モジュール、復調モジュール、及び評価モジュールを含み、
前記刺激モジュールは、センサの自己テストを実施するため、テスト信号パターンを、前記電気接続の１つである基板線路を介して前記マイクロメカニカル機能部に送信し、かつ、復調のための相関信号を発生して前記復調モジュールに供給し、
前記電子処理モジュールは、前記マイクロメカニカル機能部から、前記テスト信号パターンに応答する応答信号を受信して、センサ出力信号を形成して、前記復調モジュールに供給し、
前記復調モジュールは、前記センサ出力信号と前記相関信号とを用いて復調出力信号を形成し、前記評価モジュールへ供給し、
前記評価モジュールは、前記復調出力信号を評価して、前記電気接続のエラーを識別し、
マイクロメカニカル機能部は１つの基板に配置されておりかつ電子的な処理回路は少なくとも別の基板に配置されており、
自己テストを用いてマイクロメカニカル機能部と電子的な処理回路との間の基板接続および／またはアース接続の状態が検査可能であることによって解決される。

本発明のセンサでは、設定されている自己テストのために、冗長的な電気接続を使用しないでもすむという利点が得られる。これにより、センサエレメントおよびセンサの電子処理回路にスペースの節約が実現される。結果的に部品コストも低減される。

本発明の有利な形態によれば、センサは、自己テストが行われる作動状態と、通常の測定作動が行われる別の作動状態とを有している。センサはこのようにしてまず、自己テストを実施しかつ、それから続いて自己テストが合格すると通常の測定作動を始めることができる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、センサの自己テストを実施するための手段が、自己テストを通常の測定作動の期間に行うことができるように設けられている。これにより、いつでも、測定期間中であっても、センサの正しい機能をテストすることができる。

センサが容量センサ、殊に差動コンデンサ構造を有するセンサであれば有利である。容量センサは、電位変動およびそこから生じるエラーもしくは異常信号に敏感である。

マイクロメカニカル機能部が１つの基板に配置されておりかつ電子的な処理回路が少なくとも別の基板に配置されているようにすれば有利である。マイクロメカニカル機能部および電子的な処理回路が異なっている基板に配置されている場合、電気的な接続線路によって形成される規定の共通の電位が特別重要である。

更に、自己テストを用いてマイクロメカニカル機能部と電子的な処理回路との間の基板接続部および／またはアース接続部の状態が検査可能であることは特別有利である。障害のある基板接続が原因の誤測定は、マイクロメカニカルセンサの検出することが難しい問題である。この電気接続の状態は更に有利にも、断線または高抵抗性に関して検査可能である。

電子的な処理回路からマイクロメカニカル機能部への電気的な信号の送信およびその結果生じるセンサ測定信号の受信を自己テストが含んでいることは特別有利である。このようにして、電位変化が原因の測定エラーをテスト作動中に既にそれと対応付けることができる。

自己テストは、それが少なくとも１つの電気接続の導電性および／またはこれら電気接続の断線を特定するように実現されていても有利である。電気接続の場合によっては高められている抵抗または接続の断線は電位変動の発生に対する決定的な前提条件である。

すなわち要約すると有利にも、１つのコンタクトまたはボンディングランドもしくはダブルボンディングを設けずにすむのでセンサエレメントおよび電子処理回路でのスペースが節約され、にも拘わらず、監視の信頼性が高められる。有利にも更に、自己テストに対する回路コストはデジタル信号処理により僅かになる。コンタクトはぎ取り識別は有利にもいずれにせよ存在しているコンタクトに基づいて行うことができる。既に劣化し始めているコンタクト（ボンディングの緩慢な剥離、カーケンドール効果…）を、完全に故障してしまう前に立上がり振動特性の監視により早期に識別することができる。

その他の有利な形態は従属請求項から読み取ることができる。

次に本発明を以下に説明する実施例に基づいて詳細に考察したい。

図１のａ）には従来のマイクロメカニカルセンサが略示されている。センサはマイクロメカニカル機能部１０と電子処理回路２０とを有しており、これらの間には電気接続が存在している。電気接続はこの実施例において電気導体３５である。導体はコンタクト形成面３０にコンタクト形成されている。４つの信号の伝送のためにここでは５つの接続部が存在しており、すなわち１つの接続部は冗長的である。

ｂ）にはエラー識別部を備えた本発明のマイクロメカニカルセンサが略示されている。センサはマイクロメカニカル機能部１００と電子処理回路２００とを有しており、これらの間には電気接続が存在している。電気接続はそれぞれ、コンタクト形成面３００にコンタクト形成されている電気導体３５０を有している。図１ａ）の従来技術とは異なって、本発明のセンサのこの例では、４つの電気接続しか存在していない。以前は存在していた冗長的な第５の電気接続はここにはない。これによりチップ面１１０を低減する可能性が生じる。チップ面１１０はセンサの小型化のためにまたは付加的な機能の実現のために利用することができる。

図２には、マイクロメカニカルセンサ出力信号の、基板に加わる電圧に対する依存性が示されている。この線図には基板電圧Ｖに関する相対センサ信号Ｓが示されている。センサ信号はこの例において上昇率ｄＳ／ｄＶを以て基板電圧Ｖにリニヤに依存している。別の依存性も可能である。いわゆる支配率（Durchgriff）ｄＳ／ｄＶの感度もここでは例示されているにすぎない。それはセンサおよび電子処理回路の種々のパラメータに左右されかつシステムにおいて定めるべきものである。ここに図示の例において基板電圧Ｖが５Ｖ変化する場合、センサ信号Ｓの変化は測定領域の約±２０％のオーダにある。

図３には、本発明のセンサが電子処理回路とともに略示されている。電子的な電子処理回路２００は電子処理モジュール２２０、刺激モジュール２４０、復調モジュール２６０並びに重み付けモジュール２８０を有している。電子処理モジュール２２０の課題は、典型的な容量センサの信号処理である。それは電気接続３５０を介して差動コンデンサの電極Ｃ１，ＣＭおよびＣ２に接続されている。電子処理モジュール２２０は差動コンデンサの容量変化を電子処理しかつそこからセンサ出力信号２２５を生成する。電子的な電子処理回路２００は更に別の電気接続３５０を用いてマイクロメカニカル機能部１００に接続されている。この電気接続はいわゆる基板線路３５５でありかつ従来技術のセンサでは冗長的に実現されており、または特別にコンタクト監視の多重形態を介して用いられる。コンタクト監視は従来技術では供給される電流によって２つのコンタクトを介して行われる。接続がもし切り離されたとすると、電位差を検出することができる。

本発明のセンサのここで説明する例では基板線路３５５は１つしか実現されていないが、自己テスト機能を用いて監視される。基板線路３５５は刺激モジュール２４０を基板コンタクトＣＳに接続する。作動状態において、例えばセンサのスイッチオン後、刺激モジュール２４０は自己テストの枠内において信号パターンを基板線路３５５を介してマイクロメカニカル機能部１００に送信する。その結果において、図２に図示の依存性に従って測定信号が生じ、それは信号電子処理モジュール２２０によってセンサ出力信号２２５に変換される。刺激モジュール２４０はテスト信号の他に相関信号２４５も用意する。相関信号２４５およびセンサ出力信号２２５は復調モジュール２６０において処理される。復調モジュール２６０において信号の相関された復調が行われる。復調された出力信号２６５は評価モジュール２８０において処理される。評価モジュール２８０において処理された信号パターン２６５に基づいて最終的に基板線路３５５の状態が評価されかつ相応の信号２８５が出力される。

マイクロメカニカル機能部１００の測定信号は電子処理モジュール２２０においてデジタル化することができかつ自己テストの信号処理全体をデジタルで行うことができる。

図４には、エラー識別部を備えた本発明のメカニカルセンサの刺激信号の１例が示されている。それぞれの波形において信号電圧Ｖが時間ｔに関して図示されている。ここに図示の例において刺激モジュール２４０から周期的な、矩形のテスト信号４００が送信される。しかし別の信号形態も考えられる。

図４ｂ）には、正常に機能するセンサのテスト信号応答が図示されている。この波形図にはセンサ信号Ｓが時間ｔに関して示されている。信号パターン４２０はテスト信号パターン４００に対する応答信号を表している。応答信号としての信号パターン４２０は時間的な経過において実際に遅延なくテスト信号パターン４００に追従する。従って電子処理回路２００とマイクロメカニカル機能部１００との間の電位接続は低オーミックまたは高度に導電性であり、従って無傷である。

図４ｃ）には欠陥のあるセンサの信号応答が示されている。この波形図にはセンサ信号Ｓが時間Ｔに関して示されている。波形図に示されている最初の信号パターン４４０は高オーミックまたは低導電性の基板線路３５５を示している。テスト信号パターン４００によって前以て与えられる電位変化に対してマイクロメカニカル機能部は時間遅延してしか追従しない。波形図に示されている第２の信号パターン４６０はセンサ出力信号がテスト信号パターン４００に全く依存していないことを示している。すなわち抵抗は実際に無限ということかまたは導電性は零に等しいということである。この状態は、例えば電気的な導体接続部の、コンタクト面からの剥離、または基板線路３５５の導体の切断が原因で生じる、基板線路３５５の完全な断線が推測される。

要約すると、本発明のセンサの構成および機能は次の通りに表すことができる。センサの基板電位はボンディング剥離識別に対するテストフェーズ外の連続作動においては例えばアース（ＧＮＤ）のような一定の基準電位に対するまたは対称的な電圧供給の場合には例えば中間値（ＶＤＤ／２）のような値に対する接続によって定義される。従って容量的な測定系の出力信号は震動質量に作用する質量慣性力または静電界の強さにだけ依存している。テストフェーズにおいて、マイクロメカニカル機能部１００の基板電位の規定された変化によってテスト信号パターン４００を用いてセンサ内の静電気力の形態の変化を起こし、これにより震動質量に作用する付加的な力が生じることになる。この付加的な力によって、センサの正常な出力信号に別の信号が加算的に重畳される。この信号の高さおよび時間的な経過はテスト信号４００に相応して決まっている。このために、例えばＡＳＩＣ回路として実現されている電子処理回路２００に、マイクロメカニカル機能部１００の基板コンタクトＣＳに種々の電圧を印加することができる刺激モジュール２４０が設けられている。刺激モジュール２４０により更に、時間経過に関して電圧のパターンを任意に定めることができる。センサ基板における種々の電圧によって、時間的なシーケンスにおいて測定システムの出力信号の変化が発生し、これは相関された復調により、重畳された加速度信号を除去して取り出すことができる。こうしてノイズ除去された信号は引き続いて評価モジュール２８０における許容偏差検査を介して評価することができる。その際種々のテスト信号パターン４００を用いて基板電位、ひいては基板線路３５５の状態を検査して、電気接続の完全な剥離または高抵抗性を推定することができる。種々の用途のために種々のパターンを使用することができるので、出力信号を相応の相関された復調によって真のセンサ信号、すなわち例えば加速度信号を取り除いた形で評価されるようにすることができる。本発明のマイクロメカニカルセンサは殊に、例えば加速度センサまたは回転速度センサのような慣性センサであってよい。

ａ）は従来のマイクロメカニカルセンサの略図、ｂ）はエラー識別部を備えた本発明のマイクロメカニカルセンサの略図 センサ出力信号の、基板に加わる電圧に対する依存性を示す図 電子処理回路を備えている本発明のセンサのブロック回路図 ａ）はエラー識別部を備えている本発明のマイクロメカニカルセンサの１つの可能な刺激信号の波形図、ｂ）はエラー識別部を備えている正常に機能する本発明のマイクロメカニカルセンサのテスト応答信号の波形図、ｃ）はエラー識別部を備えている欠陥のある本発明のマイクロメカニカルセンサのテスト応答信号の波形図

１００ マイクロメカニカル機能部、 １１０ チップ面、 ２００ 電子処理回路、 ２２０ 電子処理モジュール、 ２２５ センサ出力信号、 ２４０ 刺激モジュール、 ２４５ 相関信号、 ２６０ 復調モジュール、 ２６５ 信号パターン、 ２８０ 評価モジュール、 ２８５ 評価信号、 ３００ コンタクト形成面、 ３５０ 電気導体、 ３５５ 基板線路、 ４００ テスト信号パターン、 ４２０ 応答信号パターン

Claims (5)

1. 電気導体を用いて電気接続（３００，３５０，３５５）が形成されている、マイクロメカニカル機能部（１００）と電子的な処理回路（２００）とを備えているセンサにおいて、
   前記電子的な処理回路（２００）は、電子処理モジュール（２２０）、刺激モジュール（２４０）、復調モジュール（２６０）、及び評価モジュール（２８０）を含み、
   前記刺激モジュール（２４０）は、センサの自己テストを実施するため、テスト信号パターン（４００）を、前記電気接続（３００，３５０，３５５）の１つである基板線路（３５５）を介して前記マイクロメカニカル機能部（１００）に送信し、かつ、復調のための相関信号（２４５）を発生して前記復調モジュール（２６０）に供給し、
   前記電子処理モジュール（２２０）は、前記マイクロメカニカル機能部（１００）から、前記テスト信号パターン（４００）に応答する応答信号（４２０）を受信して、センサ出力信号（２２５）を形成して、前記復調モジュール（２６０）に供給し、
   前記復調モジュール（２６０）は、前記センサ出力信号（２２５）と前記相関信号（２４５）とを用いて復調出力信号（２６５）を形成し、前記評価モジュール（２８０）へ供給し、
   前記評価モジュール（２８０）は、前記復調出力信号（２６５）を評価して、前記電気接続（３００，３５０，３５５）のエラーを識別し、
   マイクロメカニカル機能部（１００）は１つの基板に配置されておりかつ電子的な処理回路（２００）は少なくとも別の基板に配置されており、
   自己テストを用いてマイクロメカニカル機能部（１００）と電子的な処理回路（２００）との間の基板接続（３５５）および／またはアース接続（３５５）の状態が検査可能である
   ことを特徴とするセンサ。
2. センサは、自己テストが行われる作動状態と、通常の測定作動が行われる別の作動状態とを有している
   請求項１記載のセンサ。
3. 前記電子的な処理回路（２００）は、自己テストを通常の測定作動の期間に行う
   請求項１記載のセンサ。
4. センサは、差動コンデンサ構造を有するセンサである
   請求項１記載のセンサ。
5. 自己テストは、それが少なくとも１つの電気接続（３００，３５０，３５５）の導電性および／またはこれら電気接続（３００，３５０，３５５）の断線を特定する
   請求項１記載のセンサ。

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