JP6660295B2 - ピックオフトランスデューサワイヤボンドビット検出 - Google Patents

Description

本発明は、センサの故障を信頼性高く検出するための回路に関し、具体的には、センサの構成要素を接続するボンドワイヤの故障または破損を検出することに関する。

電子センサは、通常、たとえば、ＡＳＩＣとして別に提供され得る、制御回路に接続された１つまたは複数のトランスデューサを含む。センサは、通常、たとえば、ＭＥＭＳとして、やはりボンドワイヤによって一緒に接続された、いくつかのトランスデューサを含む。そのようなセンサの応用例は、車両ナビゲーションシステムと、ハンドヘルドナビゲーションシステムと、車両ＥＳＰ（電子安定制御システム）と、車両エアバッグ展開と、モデルヘリコプター安定化と、農業用スプレーブーム安定化と、衛星レシーバ安定化と、ＵＡＶナビゲーションおよび安定化システムと、軽飛行機二次計器とを含む。これらの応用のうちのいくつかは、他よりも、故障検出に対するより厳しい要件を有する。

センサは、トランスデューサ間のボンドワイヤ、またはトランスデューサと制御回路との間のボンドワイヤが破損または損傷している場合、信頼性のない結果を提供することがある。ワイヤボンド故障は、もっともらしいセンサ出力となることがあり、つまり、規定の動作範囲内であるように見えるが、実際は誤りであることがある。

たとえば、増幅器に接続された４つのセンストランスデューサを備えるセンサは、１つのトランスデューサが、たとえば、リード故障により失われた場合、その出力信号は１／４（２５％）減少することになる。しかしながら、出力信号が、通常の動作下で、温度と公差とで最大３２％変化することは可能である。したがって、出力信号の減少が、トランスデューサの損失を示すのか、単に通常の変動のためなのかを判断することは困難である。

センサの精度と信頼性とを向上させるが、通常、追加の複雑さを必要とする、デバイスと技術とが提案されており、追加の複雑さには、通常必要とされる信号からの追跡信号を拒絶する復調技術へ追跡信号を投入し、追跡信号を測定して、回路の複雑さを増加させるが故障検出を可能にするものと、ホストシステムのコマンドによる追跡信号の投入であるが、継続的な故障検出を提供せず、応用試験中に無効な信号の周期にさらされるものと、温度に渡って通常レベルの変化を補う、温度で調節される閾値限度を有する故障検出回路で、回路の複雑さを増加させ、温度変化の知識を必要とするものと、信号と基準信号との比較を可能にするためにＭＥＭＳ上で追加のトランスデューサを使用し、ＭＥＭＳの複雑さを増加させ、検出トランスデューサのための許容エリアを減少させ、したがって、悪化した信号対ノイズ比と感度とを通してセンサの性能を減少させるものと、を含む。

本発明は、
少なくとも２つのトランスデューサと、
センサ信号処理回路と、
それぞれが、トランスデューサのうちの各１つをセンサ信号処理回路に接続する、トランスデューサからセンサ信号処理回路への電気接続と、
２つのボンドワイヤで接続された差動増幅器であって、ボンドワイヤが、差動増幅器の差動入力に接続され、増幅器出力が、センサ信号処理回路に接続されている、差動増幅器と、
を備えるセンサデバイス、を提供する。

説明される実施例では、電気接続はワイヤボンドであるが、他の形態、たとえば、フリップチップはんだバンプから成ることができる。

差動増幅器の使用が従来技術に対する利点を提供する一方、トランスデューサの各対が差動増幅器に１つのボンドワイヤによって接続されている、少なくとも２対のトランスデューサを備えるシステムでは、検出感度をさらに向上させることができる。

トランスデューサに、一般的に使用される値と比較してより高い容量値の部品を使用することによって、故障を検出する能力をさらに向上させることができる。

実施例を、単に例として、図面を参照して説明する。

従来技術のアーキテクチャの図である。 本システムの回路図である。 ＭＥＭＳトランスデューサ構成の実施例の図である。

以下の図１は、従来技術のアーキテクチャを示し、そこでは、ピックオフトランスデューサは、それぞれ、結合されて差動信号を提供する前に、別々の反転（または非反転）増幅器に接続されている。

このアーキテクチャでは、１つのワイヤボンドの損失は、信号の２５％の減少になるのみであり、それは、以下でさらに説明する、温度で発生する変化よりも小さい。

また、個々のトランスデューサがわずかな容量のみを有している場合では、トランスデューサが差動増幅器に接続されていたとしても、１つのトランスデューサ（ハブワイヤボンド）の損失は、より小さなゲイン損失となり、それは、ワイヤボンドからの浮遊容量および追跡が考慮された時、容量の変化が比例的に小さく、１つのトランスデューサの損失と合わさった時に、温度での通常の変動を超えるのに十分な信号変化を作り出さないからである。

これらの場合では、温度での通常の変動を超えるものを検出するのに十分なレベルを達成するために、１つより多いトランスデューサの切断を必要とする。

改良システムの好適な実施例を図２の回路図に示す。

センサは、本実施例では、４つのトランスデューサ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを有するＭＥＭＳ１として提供される。これらは、任意の知られている種類、たとえば、圧電トランスデューサの、ＰＺＴデバイスまたは容量であることができる。もちろん、より少ない、またはより多いトランスデューサを使用することができる。図示の実施例では、センサは、対に接続されたトランスデューサを有する。

回路図に示す通り、各トランスデューサは、ＡＣソースとして示すＡＣ出力信号を提供し、負荷容量を有する。ＭＥＭＳ上のトランスデューサは、図示の実施例では、対に接続され、各対の２つのトランスデューサは、ハブワイヤボンド３ａ、３ｂによって互いに接続されている。

トランスデューサを、図３に示すリング構造の中立軸のどちら側にも、リング構造の周りに９０°の角度で配置することができる。これは、ある位相の４つのトランスデューサ（ＳＰＯ₊）と、反対の位相の４つのトランスデューサ（ＳＰＯ_-）を提供して、差動出力を提供する。リング上での配置により、トランスデューサの対は、金属とＰＺＴとの通常パターニングに、リングのハブ部分を介して接続される。したがって、この構造は、１つの位相の４つのトランスデューサを一緒に接続する、ハブ上の１つのワイヤボンドと、他方の位相の４つのトランスデューサを一緒に接続する、ハブ上の１つのワイヤボンドとを必要とするだけである。その結果、後で、それは、ＭＥＭＳを電子機器に接続するために、位相当たり１つのワイヤボンドを必要とするだけである。以下の図３は、ＭＥＭＳ構造の図表示を示している。

ＭＥＭＳは、電子機器に接続されるセンサ出力を提供し、通常、ピックオフ増幅器４と、その後ろの、たとえば、ＡＳＩＣ上の別の回路内の復調およびフィルタ回路５とから構成される。復調され、フィルタにかけられた信号は、次いで、論理故障条件処理を受けて、個別の論理故障信号を提供する。

各対のトランスデューサ、本実施例では４つのトランスデューサを接続するハブワイヤボンド３ａ、３ｂのうちの１つで故障が発生した場合、これは、ＭＥＭＳからの出力信号の４分の１、つまり２５％の損失になる。

従来技術のシステムの問題を克服し、故障検出の精度を向上させるために、この減少は、ＭＥＭＳ１と復調／フィルタリング回路５との間に接続された差動ピックオフ増幅器４によって増幅される。

差動増幅器または「ピックオフ」増幅器は、差動入力と、容量接続Ｃｆｅｅｄｂａｃｋ６を介して差動入力に後で接続し直される２つの出力と、を有する電荷増幅器として構成されている。

ＭＥＭＳ上のトランスデューサの各対の出力は、差動増幅器のそれぞれの入力に、ここでもワイヤボンド７ａ、７ｂによって接続される。

対の各トランスデューサを接続するハブワイヤボンドが損傷を受けておらず、ＭＥＭＳからの出力信号が完全な信号である場合、ＭＥＭＳを出力回路に接続するワイヤボンドのうちの１つが損傷を受けている場合には、まだ問題が発生することがある。２対のトランスデューサと２つのワイヤボンドとを用いる本場合では、これらのワイヤのうちの１つが損傷を受けた場合、これは、ＭＥＭＳ出力信号の半分の損失になる。

差動増幅器段階のゲインは、帰還コンデンサ（Ｃ_feedback）とトランスデューサの負荷容量（Ｃ_load）とによって設定される。回路が差動モードで動作すると、ゲインは、以下の方程式：
ゲイン＝−（帰還コンデンサ）／負荷容量
すなわち、
ゲイン＝−（Ｃ_feedback）／Ｃ_load
に従って、帰還コンデンサと負荷コンデンサとの両方によって定義される。

そのような増幅器段階では、特に、ハブワイヤボンドのうちの１つに対する損傷による１つのトランスデューサの損失は、４つのトランスデューサの場合、通常のピックオフトランスデューサ容量Ｃ_loadの４分の１（２５％）の切断になる。この方程式によると、負荷容量の変化は、ピックオフ増幅器のゲインを、最初のゲインの６８％に変える原因となる。このゲインの変化は、通常のピックオフ信号の４分の１の損失と合わさり、全体的なピックオフ信号ゲインを、最初のレベルの（０．７５×０．６８）×１００＝５１％に減少させる。

加えて、上記で述べた通り、構成には、ＭＥＭＳトランスデューサを差動増幅器に接続する２つのワイヤボンド７ａ、７ｂがあるのみである。これは、ＭＥＭＳと出力回路との間の故障したワイヤボンド接続が、ＭＥＭＳトランスデューサからの信号の５０％の損失、したがって、ピックオフトランスデューサ容量（Ｃ_laod）の半分（５０％）の損失になる、という条件を作る。

負荷容量の変化は、増幅器のゲインを、最初のゲインの１１％に減少させる。このゲインの変化は、通常のピックオフ信号の半分の損失と合わさり、全体的なピックオフ信号ゲインを、最初のレベルの（０．５×０．１１）×１００＝５．５％に減少させる。

検出の精度をさらに向上させるために、コンデンサは、比較的高い値を有すべきである。たとえば、トランスデューサの各対の容量は、８０ｐＦから２５０ｐＦの範囲内であることができる。ハブワイヤボンドは、２対のトランスデューサを一緒に接続し、したがって、差動増幅器の各側のトランスデューサ容量は、１６０ｐＦから５００ｐＦの範囲内であることができる。

類似のアーキテクチャの従来のセンサは、０．１ｐＦから２ｐＦの範囲内のトランスデューサ容量を有する。したがって、１対のトランスデューサは、０．２ｐＦから４ｐＦの範囲内の容量を有する。同様の方法で接続された場合、差動増幅器の各側のトランスデューサ容量は、０．４ｐＦから８ｐＦの範囲内になる。したがって、より高い容量は検出を大幅に改善する。しかしながら、より多くの通常の容量値を使用しても利点を得ることができる。

これらの変化を、ピックオフ増幅器の後の適切な検出回路（従来使用可能な回路が知られており、システムのこの部分をさらには説明しない）を使用して、検出することができる。図示した実施例は、復調およびろ過段階を説明しているが、他の処理段階と検出回路とを使用することができる。

最も適切であるとして、回路内の他の場所を使用してゲインの変化を検出することができる。

Claims (1)

1. ２対のトランスデューサと、
   センサ信号処理回路と、
   差動入力と、２つの出力とを有する作動増幅器と、
   を備え、
   各対のトランスデューサは、ハブワイヤボンドによって互いに直列に接続され、各対のトランスデューサは、ハブワイヤボンドによって接続されると、一緒に負荷容量Ｃ_loadを有し、
   各対のトランスデューサの出力は、それぞれ１つのボンドワイヤで差動増幅器の差動入力のそれぞれに接続され、２つの出力は、センサ信号処理回路に接続され、差動増幅器の各出力は、容量接続Ｃ_feedbackを介して差動入力のそれぞれに接続し戻されており、負荷容量Ｃ_loadは、ハブワイヤボンドが破損した場合、差動入力に接続されているトランスデューサの負荷容量Ｃ_loadになり、作動増幅器のゲインが、ゲイン＝−（Ｃ_feedback）／Ｃ_loadの式によって定義され、トランスデューサの損失が、作動増幅器の出力の損失によって検出されることを特徴とするセンサデバイス。

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