KR20010015677A - 센서 및 그 작동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서(1), 특히 평가 회로(9, 11)에 결합된 두 개의 동일한 방식의 용량성 부분 구조물(C1, C2)을 가진 마이크로메카닉 압력 센서에 관한 것이다. 동위상 제어의 경우, 가산 신호는 압력에 의존하는 유효 신호로 주어진다. 역위상 제어의 경우, 차 신호가 진단 신호로 주어진다.

Description

센서 및 그 작동 방법 {SENSOR AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}

상기 방식의 센서는 예컨대 독일 특허DE-PS 44 18 207 C1에 마이크로메카닉 실리콘 압력 센서 형태로 공지되어 있다. 여기서 상기 센서는 전반적으로 고정된 박막으로 이루어진다. 상기 박막은 양 박막 표면 사이에 압력 차가 발생할 때 휘어진다. 신호 변환은 예컨대 집적된 단결정 또는 유전적으로 절연된 다결정 압전 저항에 의해, 또는 고정된 배면 전극에 대한 커패시턴스의 측정을 통해 이루어진다 (압전 저항 또는 용량성 신호 변환). 통상적으로 시간의 경과에 따라 상기 센서의 특성이 크게 변하지 않아야 한다는 것이 요구된다. 예컨대 자동차의 승객 보호 장치 (에어백)에서와 같은 특히 안전에 관련된 센서의 경우, 잘못된 반응을 배제하기 위해 주의해야 할 특정 변동, 특히 결함이 즉시 검출되고 그에 따라 조치가 취해지는 것이 바람직하다. 직접 실행되는 압력 센서용 셀프 테스트는 현재 공지되어 있지 않다. 간접 셀프 테스트는 수동 및 능동 셀프 테스트 사이로 나눠질 수 있다. 능동 셀프 테스트는 정해진 정전 휨 및 결과되는 센서 신호의 상응하는 스캐닝을 통해서 실행될 수 있다. 그러나 이 경우에 중요한 어려운 점들이 있다.

실리콘 압력 센서 박막의 정전 휨을 위해 배면 전극이 필요한데, 상기 전극은 벌크-마이크로머시닝에 의해 제조되는 실리콘 압력 센서에는 존재하지 않는다. 표면-마이크로 머시닝에 의해 제조되는 압력 센서에는 (또는 일반적인 용량성 압력 센서에는) 적합한 배면 전극이 존재하기는 하지만, 약 5 V의 전형적인 동작 전압을 가진 센서 모듈에 이용될 수 없는 상기 센서는 전형적으로 매우 높은 전압이 필요하다 (약 1 바아의 압력 범위에서 적어도 수 십 볼트). 단 하나의 박막을 가진 압력 센서의 수동 셀프 테스트는 상기 센서가 정확하게 정해진 또는 공지된 기준 압력에 노출될 때만 이루어질 수 있다. 그러나 이것은 보통의 경우에 나타나지 않기 때문에, 수동 셀프 테스트에 의해 정확도의 변동 및 센서의 손상이 검출 될 수 없다.

본 발명은 청구항 제 1 항의 서문에 따른 센서, 특히 압력 센서에 관한 것이다.

도 1 은 용량성 압력 센서의 개략적인 횡단면이고,

도 2 는 상기 압력 센서의 개략적인 평면도이고,

도 3 및 도 4 는 상기 압력 센서 작동을 나타낸 회로도이고,

도 5 는 교대로 반위상 또는 동위상 제어되는 상기 압력 센서의 다른 결선을 나타낸 회로도이다.

본 발명의 목적은 기술적으로 간단하게 제조될 수 있으며 셀프 테스트 되는센서, 특히 압력 센서를 개발하는 것이다. 또한 상기 센서는 자동차의 안전과 관련된 용도에 대해 적합해야 하고, 충분히 신뢰할 수 있고 간단히 실행되는 셀프 테스트를 가능하게 해야 한다. 본 발명의 또다른 목적은 상기 센서의 작동 방법을 제공하는 데 있다.

센서와 관련한 상기 목적은 청구항 제 1 항의 특징을 가진 센서를 통해, 센서 작동 방법과 관련한 목적은 청구항 제 6 항의 특징을 가진 방법을 통해 달성된다.

본 발명의 바람직한 실시예는 종속항 제 2 항 내지 제 5 항에 제시된다.

본 발명에 따라, 작용 엘리먼트는 측정될 동일한 물리적인 값에 노출되는 적어도 두 개의 부분 구조물로 이루어진다. 각각의 부분 구조물은 측정 신호를 평가 회로에 제공한다. 상기 평가 회로는 적어도 두 개의 측정 신호를 비교하는 비교 회로를 포함하며, 결과로서 비교 신호를 제공한다.

본 발명의 중요한 사상은 센서의 유효 엘리먼트, 다시 말해 통상적으로 유효 신호를 제공하는 송신기, 특히 용량성 송신기는 적어도 두 개의 부분 구조물로 이루어진다. 상기 구조물로부터 공급된 정보는 평균화된다. 부분적인 손상은 두 개의 부분 구조물의 신호가 서로 비교됨으로써 검출 될 수 있다. 두 개의 부분 구조물이 제대로 작동한다면, 주어진 비교 신호는 예정된 값을 갖는다. 예컨대 이상적인 경우에 차이 신호는 제로이다; 허용 오차로 인한 차이를 고려하거나 또는 오프셋 보정에 의해, 예정된 "제로 값" 과는 약간 다른 테스트 신호가 나타난다. 그러나 상기 신호는 측정된 물리적 입력 크기(예컨대 압력)에 의해 좌우되는 것은 아니다. 센서의 부분적인 손상의 경우에 "제로(0) 값" 과는 명백히 다른 신호가 나타난다. 상기 신호는 손상되지 않은 센서의 설정 신호와 비교해 볼 때 손상의 검출을 가능하게 한다.

본 발명의 원리에 따라 적어도 작용 엘리먼트의 두 개의 부분 구조물은 기능적 또는 구조적으로 동일하게 형성된다. 부분 구조물의 동일한 구조 및/또는 동일한 결선에 의해, 작용 엘리먼트의 부분 구조물이 손상되지 않으면 상기 구조물로부터 공급되는 신호가 동일하다.

센서의 특히 바람직한 실시예에서, 두 개의 부분 구조물의 출력부는 시그마-델타-변환기의 입력부에 결합된다.

본 발명에 따른 상기 센서의 작동 방법에서, 부분 구조물은 유효 신호(상기 신호로 부터 측정값이 검출된다)의 발생을 위해 그 출력 신호가 가산되는 방식으로 제어되고, 진단 신호(상기 신호에 의해 센서가 제대로 작동하는지의 여부가 확인된다)의 발생을 위해 그 출력 신호가 감산되는 방식으로 제어된다.

추가의 장점 및 바람직한 실시예는 하기 도 1 내지 도 5 와 관련해서 기술된 실시예에 나타난다.

도 1 및 도 2 의 용량성 압력 센서(1)는 마이크로메카닉 센서이다. 상기 센서는 실리콘 기판(2) 위에 마이크로메카닉 방식에 의해 제조된, 얇은 도핑된 폴리 실리콘 박막으로 된 적어도 두 개의 박막(3)을 갖는다. 상기 박막은 실리콘 기판(2) 표면에 형성된 산화막(5)의 공동부(4)위에 덮혀 있고, 측정될 압력의 작용시 휘어진다. 상기 박막(3)은 커패시터(C1 및 C2)의 제 1 전극으로 작용하고, 제 2 또는 배면 전극으로는 각각 실리콘 기판(2)내 도핑된 웰 영역(6)이 사용된다. 상기 웰 영역 위에 공동부(4)가 위치한다.

따라서 모놀로식 압력 센서(1)는 표면 마이크로메카닉 방법 ("Surface Micromachining")에 의해 제조되고, 이 경우 박막 휨을 용량적으로 측정하기 위해, 박막 재료로서 폴리 실리콘과 더불어 다른 적합한 도전성 재료를 사용할 수 있다.

단결정 실리콘으로 박막이 제조되고 압전 저항 신호 검출이 사용되는, 소위 벌크-마이크로 메카닉에 의해 제조된 압력 센서에 비한 상기 압력 센서의 중요한 장점은 종래의 집적 회로의 제조시와 유사한 단계가 사용되며, 따라서 신호 처리를 위해 필요한 (스위칭)회로 (도 1 및 도 2 에서는 도시되지 않음) 가 CMOS - 공정 단계로 더 간단한 집적될 수 있다.

도 2 의 평면도는 동일한 방식으로 구성된 두 개의 부분 구조물(7 및 8)을 나타낸다. 상기 구조물은 각각 (예컨대) 여섯 개의 정방형의 개별 박막으로 이루어진다. 상기 개별 박막의 수 및 형상은 임의적이지만, 도 1 의 횡단면도에 개략적으로 나타나는 것처럼, 두 개의 부분 구조물(7 및 8)이 동일하게 구성되고, 전체 커패시터(C1 및 C2)로 함께 접속되는 것이 바람직하다. 부분 구조물의 동일한 구성 및 결선에 의해, 그 커패시터의 값(C1 및 C2)이 실제로 동일하다. C1 또는 C2의 절대 값은 전형적으로 대략 2 pF 이고, 100 Pa의 압력 신호는 전형적으로 0.15 fF의 커패시터 값 변동을 일으킨다. 이것은 추가로 고도의 전자 평가 기술을 요구한다.

도 3 및 도 4 에 따른 압력 센서(1)의 블록 회로도에서는, 상기 센서의 부분 구조물이 편의상 커패시터(C1 및 C2)로 도시되고, 마찬가지로 센서 부품의 실리콘 기판(2) 위에 집적되어 형성된 평가 회로(9)가 도시된다.

도 3 에 따라 커패시터(C1 및 C2)는 신호(13, 14)에 의해 동위상으로 제어된다. 이 경우, 상기 커패시터(C1 및 C2)의 출력은 공통으로 클록 제어된 스위치(12)에 인가된다. 상기 스위치(12)는 회로 장치(9) 앞에 연결된다. 회로 장치(9) 및 상기 스위치(12)는 아날로그-디지털(A/D)-변환기일 수 있다. 상기 변환기는 2차 시그마-델타-변조기 및 2 단계 디지털 데시메이션 필터를 갖는다 (도면에 자세히 도시되지 않음).

상기 제어에서 C1 및 C2 두 개의 개별 신호의 합으로부터 제공된 유효 신호가 발생한다. 에러 없는 센서의 경우, C1 은 C2 와 동일하고, C1 + C2 는 압력에 의존하는 유효 신호를 나타내게 된다.

도 4 에 따라서 커패시터 (C1 및 C2)는 신호 (15, 16)에 의해 역위상 제어된다. 상기 제어에서 용량성 입력 신호의 감산이 이루어지고 C1 및 C2 두 개의 개별 신호의 차이로 부터 제공된 진단 신호가 발생된다. 상기 진단 신호에 의해 센서가 제대로 작동하는지의 여부가 확인된다.

상기 진단 신호는 에러 없는 센서에서 제로이고(실제 오프셋 보정은 도외시 한다), 센서가 손상된 경우에는 제로와는 다른 값을 가진다.

물론 본 발명의 원리가 도 3 및 도 4 에 도시된, 개별 커패시터(C1 및 C2)의 정확한 동위상 또는 정확한 역위상 제어를 가진 결선 실시예에 국한되지는 않으며, 복잡한 결선이 가능하다.

도 5 에는 또다른 실시예가 도시된다. 여기서는 (교대로 제어되는) 커패시터(C1 및 C2)가 각각 별도의 스위치(17, 18)에 할당된다. 상기 스위치는 연산 증폭기 회로 또는 비교기 회로로서 형성된 평가 회로(11)의 두 개의 별도 입력부에 할당된다.

Claims (6)

1. 측정될 물리적 값이 할당된 작용 엘리먼트 및 상기 작용 엘리먼트에 결합된 평가 회로장치(9, 11)를 포함하는 센서에 있어서,

   상기 작용 엘리먼트는 적어도 두 개의 기능적 또는 구조적으로 동일한 부분 구조물로 이루어지고, 상기 구조물은 측정될 동일한 물리적 값에 노출되며, 각각의 부분 구조물(C1, C2)은 측정 신호를 평가 회로(9, 11)에 제공하고, 상기 평가 회로(9, 11)는 비교 회로를 포함하며, 상기 비교 회로 내에서 상기 부분 구조물의 제어에 따라, 적어도 두 개의 측정 신호가 유효 신호의 발생을 위해 가산되고, 진단 신호의 발생을 위해 감산됨으로써 부분 구조물(C1, C2)에 에러가 없을 때 그리고 동일한 물리적 값이 제공될 때 상기 진단 신호가 제로이고, 부분 구조물(C1, C2) 중 하나에 에러가 있을 경우에는 제로와는 다른 값을 가지는 것을 특징으로 하는 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 부분 구조물 및 상기 평가 회로 장치가 하나의 동일한 기판에 집적되어 형성되는 것을 특징으로 하는 센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 평가 회로 장치가 시그마-델타-변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 부분 구조물은 표면-마이크로메카닉 공정 단계에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 센서.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 센서는 용량성 신호 변환되는 마이크로메카닉 압력 센서인 것을 특징으로 하는 센서.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 센서의 작동 방법에 있어서,

   부분 구조물은 유효 신호 (상기 신호로부터 측정값이 검출된다) 의 발생을 위해, 상기 구조물의 출력 신호가 가산되는 방식으로 제어되고 진단 신호 (상기 신호에 의해 센서가 제대로 작동하는가에 대한 여부가 확인된다)의 발생을 위해, 상기 구조물의 출력 신호가 감산되는 방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 센서의 작동 방법.