WO2008061832A2 - Self-testing micromechanical pressure sensor - Google Patents
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- WO2008061832A2 WO2008061832A2 PCT/EP2007/060159 EP2007060159W WO2008061832A2 WO 2008061832 A2 WO2008061832 A2 WO 2008061832A2 EP 2007060159 W EP2007060159 W EP 2007060159W WO 2008061832 A2 WO2008061832 A2 WO 2008061832A2
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L27/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring fluid pressure
- G01L27/007—Malfunction diagnosis, i.e. diagnosing a sensor defect
Definitions
- the present invention relates to a method for a self-test of a micromechanical membrane sensor and to a micromechanical membrane sensor equipped with this method.
- Detection of the deflection of a membrane of a micromechanical device known.
- optical test structures are placed on a membrane to be inspected, so that a measure of the deflection can be read from these structures.
- a resistance-like electrical test structure can be realized whose value is influenced by the lithographic resolution due to the deflection.
- the document DE 101 54 867 A1 describes a semiconductor component with a membrane and an underlying cavity, in which the membrane can be tested for mobility and mechanical properties. To perform this test, the membrane is activated by a capacitive excitation
- the present invention describes the possibility of independently testing the membrane in a micromechanical membrane sensor.
- the membrane has a heating means and a means for detecting the deflection of the membrane.
- the membrane is heated by means of the heating means, so that it bends due to the thermal expansion of the membrane material. This deflection produces a measurable quantity in a corresponding detection means as a function of the deflection of the membrane. If a predetermined deflection of the membrane is achieved with a given heating, it is possible to conclude that a membrane is functional. On the other hand, however, this predetermined deflection is not achieved, it can be assumed that a membrane defect.
- the membrane sensor e.g. one
- Pressure sensor to be checked during operation at regular or irregular intervals. Depending on this self-test, u.a. firmly seated, blocked or cracked membranes are detected.
- the inspection of the membrane takes place both during the
- a map can be provided in the value pairs of heat outputs or temperatures of the membrane in conjunction with the achievable at these values
- the inspection of the membrane is provided outside the measured value recording of the membrane sensor. This can happen, for example, before or during the initialization of the sensor or between two measured value recordings.
- the diaphragm sensor for detecting the sensor size has a control circuit and / or an evaluation circuit, for example an ASIC.
- Control circuit can take over in a development of the invention, the control of the heating means by controlling the heating current through which the membrane is heated.
- the heating current controlled by the control circuit corresponds at most to the magnitude of the operating current during the detection of the sensor size so as not to burden the sensor or the sensor element excessively.
- the self-test can thus be used as current-neutral monitoring, which has the advantage that the structure of the sensor on the hardware side compared to common sensors without self-test does not have to be adapted to a higher current input. This plays, for example, in the thickness of the leads on the sensor element a significant role.
- control circuit for heating the heating means switches off parts of the control circuit, e.g. those parts that are not needed to carry out the verification. This ensures that the power budget of the sensor or the system does not have to be exceeded or increased.
- the checking of the membrane is carried out as a function of the current available for controlling the sensor or for recording the measured value in the control or evaluation circuit.
- the heating of the membrane which is the main part of the required power in the review of the
- Membrane requires performing in phases where no acquisition of readings is intended.
- the power potential of the control of the sensor or of the communication between the sensor and the control and / or evaluation circuit lying idle at this time can advantageously be utilized.
- FIG. 1 shows schematically a possible realization of the invention.
- FIG. 2 likewise shows schematically a pressure sensor in which the method according to the invention can be used.
- the flow diagrams in FIGS. 3 to 5 show different algorithms with which the self-test can be carried out.
- FIG. 6 shows a typical control of a membrane sensor before, during and after a measured value recording.
- Membrane 220 includes a cavity 210 having a reference volume in a substrate 200. If a pressure 250 to be detected is directed onto the side of the membrane 220 facing away from the cavity 210, it is possible to deduce the magnitude of the pressure 250 from the deflection or deflection of the membrane 220 with the aid of piezoresistors 230. It follows that when a defective or stuck
- a heating means is used according to the present invention in addition to the detection means for detecting the deflection of the membrane, which can heat the membrane defined.
- the heating means 240 is arranged directly on the membrane 210 next to the piezoelements 230.
- the arrangement or design of the detection means in other membrane sensors can also be designed differently. Conceivable here are e.g. Strain gauges or capacitive sensing means in the form of opposite
- FIG. 1 shows a possible embodiment of the invention in the form of a block diagram. In this case, the structure shown can be realized both in a microprocessor and in a circuit.
- a processing unit 105 is embedded in a control unit 100, which controls the heating element 160 of the sensor and, in the event of a defect in the membrane, outputs a corresponding display 170, eg visually or acoustically.
- the defect can be stored as information in a memory 110 for later query.
- the processing unit 105 it is necessary for the processing unit 105 to take into account various data concerning the state of the sensor.
- the processing unit from a suitable block 120 information about the
- the sensor acquires measured value signals by the sensor receives. This can be done, for example, in the form of initialization requests or measured value queries. In addition, however, it is also conceivable to use the communication between the sensor and the sensor control unit as information regarding a suitable time for carrying out the self-test. Furthermore, it can be provided to receive the parameters of the membrane heating by suitable means. Thus, the power consumption of the heating element in block 130 and / or the temperature of the membrane or of the heating element can be detected by a separate temperature detection means 140. Since the membrane is usually firmly installed, the membrane bends when heated due to the expansion of the membrane material or by uneven heating and expansion of different
- Membrane components through, so that the detection means located on or in the membrane 150 can detect the deflection in the form of an electrical signal.
- the processing unit 105 uses the signal of the detection means 150 with a comparison value, for example in the form of a
- Threshold compared. If the signal of the detection means 150 does not reach the comparison value, ie if the deflection of the membrane is less than it should be, a processing defect is detected by the processing unit.
- a comparison or threshold value used for this comparison may optionally be fixed or stored in the form of a characteristic field in a memory 110.
- value pairs consisting of heat output or temperature of the membrane in conjunction with the signal of the detection means, are compared with the stored comparison values.
- a micromechanical (membrane) sensor is driven by means of a circuit which is separated from or integrated with the sensor element. Such circuits may be limited to the control of the sensor or at least take over part of the evaluation of the sensor signals.
- FIGS. 3 to 5 thus present possible algorithms which can be processed in a processing unit 105 within a control circuit, eg an ASIC. While the algorithms in FIGS. 3 and 4 describe the execution of the dynamic self-test in response to an initialization of the sensor initiated by the control circuit, the algorithm in FIG. 5 executes the corresponding test during operation, ie while the sensor is for data acquisition regular or irregular intervals is addressed.
- Heating element 170 is controlled such that it heats and so heats the membrane.
- the control can be done, for example, with a current level that does not exceed the permitted limits for normal operation. This ensures that at most the power that is also used during normal operation of the sensor is introduced into the sensor.
- the initialization routines of the sensor are then performed in step 320 to prepare the measured value recording by the sensor. As indicated above, such initialization routines may be controlled by ASICs integrated with the sensor or separately associated with the sensor. After or in part during the execution of the initialization, it is then possible to start the dynamic testing of the membrane bend according to step 340 by detecting the cooling of the membrane and comparing it with the stored threshold values. If the signal of the detection means does not reach the threshold value, a membrane defect is detected in step 360.
- the initialization of the sensor is first carried out in step 400 before the possibility of a self-test is checked. If it is determined in the immediately following step 420 that there is a request to acquire measured values of the sensor, the algorithm is ended without a self-test having been carried out.
- step 440 If, on the other hand, it has been determined in step 420 that no current measured value acquisition is desired, an "idle mode" is activated in step 440, in which circuit parts of the sensor control or evaluation are switched largely inactive.This can be achieved, for example, by using a suitable so-called By switching off the circuit parts, the current available for heating the heating element in step 460 increases with constant current draw of the system sensor / control circuit, without one compared to the normal operation
- step 480 during the heating of the membrane, upon reaching a maximum temperature or a maximum deflection of the membrane or during cooling of the membrane, corresponding measured values of the detection means can be stored together with the stored data n threshold values are compared and, if necessary, a membrane defect can be detected.
- the algorithm according to FIG. 5 it is assumed that an initialization of the sensor has already taken place and a normal operation exists, ie a situation in which measured values are detected by the sensor at regular or irregular intervals.
- a current measured value acquisition of the sensor is present. This is advantageously done by a query according to the block 120 described above.
- the communication between the sensor and the controller can be used to find a way to perform the self-test. If, for example, the sensor consumes only one quiescent current I R during operation without communication (see FIG. 6), then the current which is the difference between the average communication current I M K and the quiescent current I R can be used for heating the heating element equivalent.
- a current of 5 mA would result for a mean communication current of I MK - 10 mA, which would be used to heat up the Heating element in step 520 is available.
- a detection of the deflection of the membrane is made.
- a comparison is made with threshold values in order to decide whether there is a membrane defect.
- the applied heating power or the detected temperature of the membrane can also be taken into account.
- the detection of the temperature during the heating of the membrane allows the feedback of the temperature and thus a controlled heating process.
- an "idle mode” is activated in step 520 in accordance with step 440.
- the sensor is locked, at least for performing the self-test for signal value recording, so as not to generate false sensor signals due to heating of the membrane.
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Abstract
The invention allows an autonomous test of the membrane of a micromechanical membrane sensor. For such a self-test, the membrane comprises a heating element and means for detecting the deflection. For carrying out the test, the membrane is heated by the heating element to such an extent that it bends due to the thermal expansion of the membrane material. This bend produces a measurable value in the corresponding detection element depending on the deflection of the membrane. If a predetermined deflection of the membrane is obtained during the predetermined heating, it can be concluded that the membrane is operational. If, however, the predetermined deflection is not obtained, it can be concluded that the membrane is defective.
Description
Selbsttest bei einem mikromechanischen Drucksensor Self-test with a micromechanical pressure sensor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für einen Selbsttest eines mikromechanischen Membransensors sowie ein mit diesem Verfahren ausgestatten mikromechanischen Membransensor.The present invention relates to a method for a self-test of a micromechanical membrane sensor and to a micromechanical membrane sensor equipped with this method.
Stand der TechnikState of the art
Aus der DE 10 2006 006890 Al ist ein Verfahren zur Herstellung von Prüfstrukturen zurFrom DE 10 2006 006890 Al a method for the production of test structures for
Erkennung der Durchbiegung einer Membran eines mikromechanischen Bauelements bekannt. In diesem Verfahren werden optische Teststrukturen auf eine zu inspizierende Membran platziert, so dass anhand dieser Strukturen ein Maß für die Durchbiegung abgelesen werden kann. Analog kann eine widerstandsartige elektrische Teststruktur realisiert werden, deren Wert durch die lithographische Auflösung aufgrund der Durchbiegung beeinflusst wird.Detection of the deflection of a membrane of a micromechanical device known. In this method, optical test structures are placed on a membrane to be inspected, so that a measure of the deflection can be read from these structures. Analogously, a resistance-like electrical test structure can be realized whose value is influenced by the lithographic resolution due to the deflection.
In der Schrift DE 101 54 867 Al wird ein Halbleiterbauelement mit einer Membran und einer darunter liegenden Kaverne beschrieben, bei dem die Membran hinsichtlich der Beweglichkeit und der mechanischen Eigenschaften geprüft werden kann. Um diese Prüfung durchzuführen, wird die Membran durch eine kapazitive Anregung inThe document DE 101 54 867 A1 describes a semiconductor component with a membrane and an underlying cavity, in which the membrane can be tested for mobility and mechanical properties. To perform this test, the membrane is activated by a capacitive excitation
Schwingungen, insbesondere in Resonanzschwingungen versetzt, wobei die Beweglichkeit der Membran anschließend mittels statischer und dynamischer Kapazitätsmessungen überprüft wird.
Vorteile der ErfindungOscillations, in particular in resonance oscillations, wherein the mobility of the membrane is then checked by means of static and dynamic capacitance measurements. Advantages of the invention
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Möglichkeit beschrieben, die Membran bei einem mikromechanischen Membransensor eigenständig zu testen. Für einen derartigen Selbsttest ist erforderlich, dass die Membran ein Heizmittel sowie ein Mittel zur Erfassung der Auslenkung der Membran aufweist. Für den Test wird dabei erfindungsgemäß die Membran mittels des Heizmittels erwärmt, so dass diese sich aufgrund der thermischen Ausdehnung des Membranmaterials durchbiegt. Diese Durchbiegung erzeugt in einem entsprechenden Erfassungsmittel eine messbare Größe in Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran. Wird bei einer vorgegebenen Erwärmung eine vorgegebene Auslenkung der Membran erreicht, so kann auf eine funktionsfähige Membran geschlossen werden. Wird andererseits jedoch diese vorgegebene Auslenkung nicht erreicht, so kann von einem Membrandefekt ausgegangen werden.The present invention describes the possibility of independently testing the membrane in a micromechanical membrane sensor. For such a self-test it is necessary that the membrane has a heating means and a means for detecting the deflection of the membrane. For the test according to the invention, the membrane is heated by means of the heating means, so that it bends due to the thermal expansion of the membrane material. This deflection produces a measurable quantity in a corresponding detection means as a function of the deflection of the membrane. If a predetermined deflection of the membrane is achieved with a given heating, it is possible to conclude that a membrane is functional. On the other hand, however, this predetermined deflection is not achieved, it can be assumed that a membrane defect.
Durch einen derartigen dynamischen Test kann vorteilhafterweise der Membransensor, z.B. einBy such a dynamic test, advantageously, the membrane sensor, e.g. one
Drucksensor, während des Betriebs in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen überprüft werden. In Abhängigkeit von diesem Selbsttest können so u.a. fest sitzende, blockierte oder gerissene Membranen erkannt werden.Pressure sensor to be checked during operation at regular or irregular intervals. Depending on this self-test, u.a. firmly seated, blocked or cracked membranes are detected.
In einer Ausgestaltung der Erfindung findet die Überprüfung der Membran sowohl während derIn one embodiment of the invention, the inspection of the membrane takes place both during the
Erwärmung als auch in der Abkühlung der Membran statt.Heating as well as in the cooling of the membrane instead.
Statt einer festen vorgebbaren Auslenkung, die bei einer maximalen Heizleistung erreicht werden kann, kann auch ein Kennfeld vorgesehen sein, in dem Wertepaare von Heizleistungen bzw. Temperaturen der Membran in Verbindung mit den bei diesen Werten erreichbarenInstead of a fixed predefinable deflection, which can be achieved at a maximum heat output, a map can be provided in the value pairs of heat outputs or temperatures of the membrane in conjunction with the achievable at these values
Auslenkungen gebracht werden.Deflections are brought.
Vorteilhafterweise ist die Überprüfung der Membran außerhalb der Messwertaufnahme des Membransensors vorgesehen. Dies kann beispielsweise vor bzw. während der Initialisierung des Sensors oder auch zwischen zwei Messwertaufnahmen geschehen.Advantageously, the inspection of the membrane is provided outside the measured value recording of the membrane sensor. This can happen, for example, before or during the initialization of the sensor or between two measured value recordings.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der Membransensor zur Erfassung der Sensorgröße eine Steuerschaltung und/oder eine Auswerteschaltung, z.B. ein ASIC aufweist. Diese
Steuerschaltung kann in einer Weiterbildung der Erfindung die Ansteuerung des Heizmittels übernehmen, indem sie den Heizstrom steuert, durch den die Membran erwärmt wird. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der durch die Steuerschaltung gesteuerte Heizstrom maximal dem Betrag des Betriebsstroms bei der Erfassung der Sensorgröße entspricht, um den Sensor bzw. das Sensorelement nicht über Gebühr zu belasten. Der Selbsttest kann somit als stromneutrale Überwachung eingesetzt werden, was den Vorteil hat, dass der Aufbau des Sensors hardwareseitig gegenüber gängigen Sensoren ohne Selbsttest nicht auf einen höheren Stromeintrag angepasst werden muss. Dies spielt z.B. bei der Dicke der Zuleitungen auf dem Sensorelement eine maßgebliche Rolle.Furthermore, it is provided that the diaphragm sensor for detecting the sensor size has a control circuit and / or an evaluation circuit, for example an ASIC. These Control circuit can take over in a development of the invention, the control of the heating means by controlling the heating current through which the membrane is heated. In this case, it can be provided, in particular, that the heating current controlled by the control circuit corresponds at most to the magnitude of the operating current during the detection of the sensor size so as not to burden the sensor or the sensor element excessively. The self-test can thus be used as current-neutral monitoring, which has the advantage that the structure of the sensor on the hardware side compared to common sensors without self-test does not have to be adapted to a higher current input. This plays, for example, in the thickness of the leads on the sensor element a significant role.
Um ausreichend Leistung für die Erwärmung des Heizmittels bzw. der Membran bereitstellen zu können, kann vorgesehen sein, dass die Steuerschaltung für die Erwärmung des Heizmittels Teile der Steuerschaltung abschaltet, z.B. diejenigen Teile, die zur Durchführung der Überprüfung nicht benötigt werden. Somit wird erreicht, dass das Leistungsbudget des Sensors bzw. des Systems nicht überschritten bzw. nicht erhöht werden muss.In order to be able to provide sufficient power for the heating of the heating medium or the membrane, it can be provided that the control circuit for heating the heating means switches off parts of the control circuit, e.g. those parts that are not needed to carry out the verification. This ensures that the power budget of the sensor or the system does not have to be exceeded or increased.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Überprüfung der Membran in Abhängigkeit von dem zur Steuerung des Sensors bzw. zur Messwertaufnahme zur Verfügung stehenden Stroms in der Steuer- bzw. Auswerteschaltung durchgeführt wird. So ist beispielsweise denkbar, die Erwärmung der Membran, die den Hauptteil der benötigten Leistung bei der Überprüfung derFurthermore, it can be provided that the checking of the membrane is carried out as a function of the current available for controlling the sensor or for recording the measured value in the control or evaluation circuit. For example, it is conceivable that the heating of the membrane, which is the main part of the required power in the review of the
Membran erfordert, in Phasen durchzuführen, in denen keine Erfassung von Messwerten vorgesehen ist. Dabei kann vorteilhafterweise das zu diesem Zeitpunkt brach liegende Leistungspotential der Ansteuerung des Sensors bzw. der Kommunikation zwischen Sensor und Steuer- und/oder Auswerteschaltung genutzt werden.Membrane requires performing in phases where no acquisition of readings is intended. In this case, the power potential of the control of the sensor or of the communication between the sensor and the control and / or evaluation circuit lying idle at this time can advantageously be utilized.
Durch Rückführung des Temperatursignals in den Steuerprozess der Aufheizung kann Schaden am Sensor durch Überhitzen von Sensorchip, -membran bzw. -aufbau vermieden werden.By returning the temperature signal to the heating control process, damage to the sensor due to overheating of the sensor chip, membrane or assembly can be avoided.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
- A -Further advantages will become apparent from the following description of exemplary embodiments or from the dependent claims. - A -
Zeichnungendrawings
Das Blockschaltbild in Figur 1 zeigt schematisch eine mögliche Realisierung der Erfindung. In Figur 2 ist ebenfalls schematisch ein Drucksensor dargestellt, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann. Die Flussdiagramme in den Figuren 3 bis 5 zeigen unterschiedliche Algorithmen, mit denen der Selbsttest durchgeführt werden kann. Figur 6 zeigt eine typische Ansteuerung eines Membransensors vor, während und nach einer Messwertaufnahme.The block diagram in Figure 1 shows schematically a possible realization of the invention. FIG. 2 likewise shows schematically a pressure sensor in which the method according to the invention can be used. The flow diagrams in FIGS. 3 to 5 show different algorithms with which the self-test can be carried out. FIG. 6 shows a typical control of a membrane sensor before, during and after a measured value recording.
Ausführungsbeispielembodiment
Bei gängigen mikromechanischen Membransensoren ist eine intakte Membran die notwendige Voraussetzung, um einwandfreie und nachvollziehbare Signalgrößen zu erfassen. So schließt bei einem Drucksensor, wie er in Figur 2 dargestellt ist, eineIn common micromechanical membrane sensors, an intact membrane is the necessary prerequisite for detecting perfect and traceable signal quantities. So closes in a pressure sensor, as shown in Figure 2, a
Membran 220 einen Hohlraum 210 mit einem Referenzvolumen in einem Substrat 200 ein. Wird auf die dem Hohlraum 210 abgewandte Seite der Membran 220 ein zu erfassender Druck 250 geleitet, kann aus der Durchbiegung bzw. Auslenkung der Membran 220 mit Hilfe von Piezowiderständen 230 auf die Größe des Drucks 250 geschlossen werden. Daraus ergibt sich, dass bei einer defekten oder festsitzendenMembrane 220 includes a cavity 210 having a reference volume in a substrate 200. If a pressure 250 to be detected is directed onto the side of the membrane 220 facing away from the cavity 210, it is possible to deduce the magnitude of the pressure 250 from the deflection or deflection of the membrane 220 with the aid of piezoresistors 230. It follows that when a defective or stuck
Membran keine korrekte bzw. reproduzierbare Druckerfassung möglich ist.Membrane no correct or reproducible pressure detection is possible.
Um einen Selbsttest von Membransensoren, insbesondere von Drucksensoren, zu ermöglichen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung neben den Erfassungsmitteln zur Erfassung der Auslenkung der Membran ein Heizmittel verwendet, welches die Membran definiert aufheizen kann. Wie am Beispiel des Drucksensors der Figur 2 gezeigt, ist das Heizmittel 240 direkt auf der Membran 210 neben den Piezoelementen 230 angeordnet. Darüber hinaus kann die Anordnung bzw. Ausgestaltung der Erfassungsmittel bei anderen Membransensoren jedoch auch anders gestaltet sein. Denkbar sind hierbei z.B. Dehnmessstreifen oder kapazitive Erfassungsmittel in Form von gegenüberliegendenIn order to enable a self-test of membrane sensors, in particular of pressure sensors, a heating means is used according to the present invention in addition to the detection means for detecting the deflection of the membrane, which can heat the membrane defined. As shown by the example of the pressure sensor of FIG. 2, the heating means 240 is arranged directly on the membrane 210 next to the piezoelements 230. In addition, however, the arrangement or design of the detection means in other membrane sensors can also be designed differently. Conceivable here are e.g. Strain gauges or capacitive sensing means in the form of opposite
Elektroden. Auch die Heizelemente können unterschiedliche Ausprägungen aufweisen. Denkbar sind z.B. flächige Heizschichten auf der Membran.
Die Figur 1 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes. Dabei kann die gezeigte Struktur sowohl in einem Mikroprozessor als auch in einer Schaltung realisiert sein. Wie dargestellt, wird eine Verarbeitungseinheit 105 in einer Steuereinheit 100 eingebettet, die das Heizelement 160 des Sensors steuert und bei einem Defekt der Membran eine entsprechende Anzeige 170 z.B. optisch oder akustisch ausgibt. Alternativ kann der Defekt als Information auch in einem Speicher 110 zur späteren Abfrage abgelegt werden. Zur Steuerung des Heizelements 170 bzw. zur Erkennung eines Membrandefekts ist jedoch notwendig, dass die Verarbeitungseinheit 105 diverse Daten über den Zustand des Sensors berücksichtigt. So kann vorgesehen sein, dass die Verarbeitungseinheit aus einem geeigneten Block 120 Informationen über dieElectrodes. The heating elements can also have different characteristics. For example, planar heating layers on the membrane are conceivable. FIG. 1 shows a possible embodiment of the invention in the form of a block diagram. In this case, the structure shown can be realized both in a microprocessor and in a circuit. As shown, a processing unit 105 is embedded in a control unit 100, which controls the heating element 160 of the sensor and, in the event of a defect in the membrane, outputs a corresponding display 170, eg visually or acoustically. Alternatively, the defect can be stored as information in a memory 110 for later query. For controlling the heating element 170 or for detecting a membrane defect, however, it is necessary for the processing unit 105 to take into account various data concerning the state of the sensor. Thus, it can be provided that the processing unit from a suitable block 120 information about the
Erfassung vom Messwertsignalen durch den Sensor erhält. Dies kann beispielsweise in Form von Initialisierungsanforderungen oder Messwertabfragen geschehen. Daneben ist jedoch auch denkbar, die Kommunikation zwischen Sensor und Sensorsteuergerät als Information hinsichtlich eines geeigneten Zeitpunkts zur Durchführung des Selbsttests zu verwenden. Weiterhin kann vorgesehen sein, die Parameter der Membranerwärmung durch geeignete Mittel aufzunehmen. So kann die Leistungsaufnahme des Heizelements im Block 130 und/oder die Temperatur der Membran bzw. des Heizelements durch ein separates Temperaturerfassungsmittel 140 erfasst werden. Da die Membran üblicherweise fest eingebaut ist, biegt sich die Membran bei Erwärmung aufgrund der Ausdehnung des Membranmaterials bzw. durch ungleiche Erwärmung und Ausdehnung unterschiedlicherAcquisition of measured value signals by the sensor receives. This can be done, for example, in the form of initialization requests or measured value queries. In addition, however, it is also conceivable to use the communication between the sensor and the sensor control unit as information regarding a suitable time for carrying out the self-test. Furthermore, it can be provided to receive the parameters of the membrane heating by suitable means. Thus, the power consumption of the heating element in block 130 and / or the temperature of the membrane or of the heating element can be detected by a separate temperature detection means 140. Since the membrane is usually firmly installed, the membrane bends when heated due to the expansion of the membrane material or by uneven heating and expansion of different
Membranbestandteile durch, so dass die auf oder in der Membran befindlichen Erfassungsmittel 150 die Auslenkung in Form eines elektrischen Signals erfassen können.Membrane components through, so that the detection means located on or in the membrane 150 can detect the deflection in the form of an electrical signal.
Zur Erkennung eines Membrandefekts wird von der Verarbeitungseinheit 105 das Signal des Erfassungsmittels 150 mit einem Vergleichswert beispielsweise in Form einesTo detect a membrane defect, the processing unit 105 uses the signal of the detection means 150 with a comparison value, for example in the form of a
Schwellenwerts verglichen. Erreicht das Signal des Erfassungsmittels 150 den Vergleichswert nicht, d.h. ist die Auslenkung der Membran geringer als sie sein sollte, wird von der Verarbeitungseinheit ein Membrandefekt erkannt. Ein für diesen Vergleich verwendeter Vergleichs- bzw. Schwellenwert kann wahlweise fest vorgegeben sein oder in Form eines Kennlinienfeldes in einem Speicher 110 abgespeichert sein. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass Wertepaare, bestehend aus Heizleistung bzw. Temperatur der Membran in Verbindung mit dem Signal des Erfassungsmittels, mit den abgespeicherten Vergleichswerten verglichen werden.
Typischerweise wird ein mikromechanischer (Membran-)Sensor mittels einer Schaltung angesteuert, die vom Sensorelement separiert oder auf diesem integriert ist. Derartige Schaltungsanordnungen können dabei rein auf die Ansteuerung des Sensors beschränkt sein oder auch wenigstens einen Teil der Auswertung der Sensorsignale übernehmen. Bei der Durchführung der erfmdungsgemäßen dynamischen Membranüberwachung kann danach unterschieden werden, in welcher Phase der Ansteuerung sich der Sensor befindet und wie weit die Steuerschaltung Auswerteaufgaben übernimmt. So kann eine Steuerschaltung, die teilweise auch Auswertefunktionen übernimmt, selbsttätig entscheiden, ob eine Signalerfassung vorliegt. Die Flussdiagramme in den Figuren 3 bis 5 stellen so mögliche Algorithmen vor, die in einer Verarbeitungseinheit 105 innerhalb einer Steuerschaltung, z.B. einem ASIC abgearbeitet werden können. Während die Algorithmen in Figur 3 und 4 die Durchführung des dynamischen Selbsttests in Abhängigkeit von einer durch die Steuerschaltung veranlassten Initialisierung des Sensors beschreiben, führt der Algorithmus in Figur 5 den entsprechenden Test während des laufenden Betriebs aus, d.h. während der Sensor zum Zweck der Datenerfassung in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen angesprochen wird.Threshold compared. If the signal of the detection means 150 does not reach the comparison value, ie if the deflection of the membrane is less than it should be, a processing defect is detected by the processing unit. A comparison or threshold value used for this comparison may optionally be fixed or stored in the form of a characteristic field in a memory 110. In addition, it can also be provided that value pairs, consisting of heat output or temperature of the membrane in conjunction with the signal of the detection means, are compared with the stored comparison values. Typically, a micromechanical (membrane) sensor is driven by means of a circuit which is separated from or integrated with the sensor element. Such circuits may be limited to the control of the sensor or at least take over part of the evaluation of the sensor signals. When carrying out the dynamic diaphragm monitoring according to the invention, a distinction can be made according to which phase of the control the sensor is in and how far the control circuit takes over the evaluation tasks. Thus, a control circuit, which also partially performs evaluation functions, automatically decide whether a signal detection is present. The flowcharts in FIGS. 3 to 5 thus present possible algorithms which can be processed in a processing unit 105 within a control circuit, eg an ASIC. While the algorithms in FIGS. 3 and 4 describe the execution of the dynamic self-test in response to an initialization of the sensor initiated by the control circuit, the algorithm in FIG. 5 executes the corresponding test during operation, ie while the sensor is for data acquisition regular or irregular intervals is addressed.
Gemäß dem Flussdiagramm in Figur 3 wird nach Start des Selbsttestes noch vor der Initialisierung, d.h. der Inbetriebnahme des Membransensors im Schritt 300 dasAccording to the flow chart in FIG. 3, after the start of the self-test, it is still before the initialization, i. the commissioning of the diaphragm sensor in step 300 the
Heizelement 170 derart angesteuert, dass es sich erhitzt und so die Membran erwärmt. Die Ansteuerung kann dabei beispielsweise mit einem Strompegel erfolgen, der die erlaubten Grenzen für den Normalbetrieb nicht überschreitet. Somit wird sichergestellt, dass maximal die Leistung in den Sensor eingebracht wird, die auch beim normalen Betrieb des Sensors verwendet wird. Erst nach dieser Erwärmung werden anschließend im Schritt 320 die Initialisierungsroutinen des Sensors durchgeführt, um die Messwertaufnahme durch den Sensor vorzubereiten. Wie oben angedeutet, können derartige Initialisierungsroutinen durch ASICs gesteuert werden, die in den Sensor integriert sind oder separat dem Sensor zugeordnet sind. Nach oder auch teilweise während der Durchführung der Initialisierung kann dann gemäß Schritt 340 mit der dynamischen Prüfung der Membranverbiegung begonnen werden, indem die Abkühlung der Membran erfasst und mit den abgespeicherten Schwellenwerten verglichen wird.
Erreicht das Signal der Erfassungsmittel dabei nicht den Schwellenwert, so wird in Schritt 360 ein Membrandefekt erkannt.Heating element 170 is controlled such that it heats and so heats the membrane. The control can be done, for example, with a current level that does not exceed the permitted limits for normal operation. This ensures that at most the power that is also used during normal operation of the sensor is introduced into the sensor. Only after this heating, the initialization routines of the sensor are then performed in step 320 to prepare the measured value recording by the sensor. As indicated above, such initialization routines may be controlled by ASICs integrated with the sensor or separately associated with the sensor. After or in part during the execution of the initialization, it is then possible to start the dynamic testing of the membrane bend according to step 340 by detecting the cooling of the membrane and comparing it with the stored threshold values. If the signal of the detection means does not reach the threshold value, a membrane defect is detected in step 360.
Beim Algorithmus gemäß Figur 4 ist vorgesehen, dass zunächst im Schritt 400 die Initialisierung des Sensors durchgeführt wird, bevor die Möglichkeit eines Selbsttests überprüft wird. Wird im unmittelbar folgenden Schritt 420 ermittelt, dass eine Anfrage zur Erfassung von Messwerten des Sensors vorliegt, wird der Algorithmus beendet, ohne dass ein Selbsttest durchgeführt worden ist. Ist dagegen in Schritt 420 festgestellt worden, dass keine aktuelle Messwerterfassung gewünscht wird, wird im Schritt 440 ein „Idle- Modus" aktiviert, in dem Schaltungsteile der Sensorsteuerung bzw. -auswertung weitestgehend inaktiv geschalten werden. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung einer geeigneten sog. Clock-Domain erreicht werden, in dem einzelne Schaltungsteile stromlos geschalten werden. Durch die Abschaltung der Schaltungsteile erhöht sich bei konstanter Stromentnahme des Systems Sensor/Steuerschaltung der für die Aufheizung des Heizelements in Schritt 460 zur Verfügung stehende Strom, ohne dass eine gegenüber dem Normalbetrieb (= Erfassung von Sensormessdaten) erhöhte Stromaufnahme erforderlich ist. Im Schritt 480 können anschließend während des Aufheizens der Membran, bei Erreichen einer Maximaltemperatur oder einer maximalen Durchbiegung der Membran bzw. bei der Abkühlung der Membran entsprechende Messwerte des Erfassungsmittels mit den abgespeicherten Schwellenwerten verglichen werden und ggf. ein Membrandefekt erkannt werden.In the algorithm according to FIG. 4, it is provided that the initialization of the sensor is first carried out in step 400 before the possibility of a self-test is checked. If it is determined in the immediately following step 420 that there is a request to acquire measured values of the sensor, the algorithm is ended without a self-test having been carried out. If, on the other hand, it has been determined in step 420 that no current measured value acquisition is desired, an "idle mode" is activated in step 440, in which circuit parts of the sensor control or evaluation are switched largely inactive.This can be achieved, for example, by using a suitable so-called By switching off the circuit parts, the current available for heating the heating element in step 460 increases with constant current draw of the system sensor / control circuit, without one compared to the normal operation In step 480, during the heating of the membrane, upon reaching a maximum temperature or a maximum deflection of the membrane or during cooling of the membrane, corresponding measured values of the detection means can be stored together with the stored data n threshold values are compared and, if necessary, a membrane defect can be detected.
In dem Algorithmus gemäß Figur 5 wird vorausgesetzt, dass eine Initialisierung des Sensors bereits stattgefunden hat und ein Normalbetrieb vorliegt, d.h. eine Situation, in der in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen Messwerte durch den Sensor erfasst werden. In diesem Fall wird nach dem Start des Algorithmus in Schritt 500 zunächst geklärt, ob eine aktuelle Messwerterfassung des Sensors vorliegt. Dies erfolgt vorteilhafterweise durch eine Abfrage gemäß des eingangs beschriebenen Blocks 120. So kann z.B. die Kommunikation zwischen Sensor und Steuergerät dazu benutzt werden, um eine Möglichkeit zur Durchführung des Selbsttests zu finden. Wird z.B. vom Sensor lediglich ein Ruhestrom IR verbraucht im Betrieb ohne Kommunikation (siehe Figur 6), so kann für die Erwärmung des Heizelements der Strom verwendet werden, der dem Unterschied zwischen dem mittleren Kommunikationsstrom IMκ und dem Ruhestrom IR
entspricht. Bei einer Ruhestromaufhahme des Sensors von z.B. IR ~ 5 mA und einem geschalteten Strompegel (=Kommunikationsstrom) von Iκ ~ 20 mA würde sich so bei einem mittleren Kommunikationsstrom von IMK - 10 mA ein Strom von 5 mA ergeben, der zur Aufheizung des Heizelements in Schritt 520 zur Verfügung steht. Während bzw. nach der Aufheizung des Heizelements und der Membran in Schritt 520 wird wie oben bereits geschildert, im nachfolgenden Schritt 540 eine Erfassung der Auslenkung der Membran vorgenommen. Daraufhin wird in Schritt 560 in Abhängigkeit der Auslenkung ein Vergleich mit Schwellenwerten durchgeführt, um zu entscheiden, ob ein Membrandefekt vorliegt. Wie bereits ausgeführt, kann dabei neben der Auslenkung der Membran auch die aufgebrachte Heizleistung oder die erfasste Temperatur der Membran berücksichtigt werden.In the algorithm according to FIG. 5, it is assumed that an initialization of the sensor has already taken place and a normal operation exists, ie a situation in which measured values are detected by the sensor at regular or irregular intervals. In this case, after the start of the algorithm in step 500, it is first clarified whether a current measured value acquisition of the sensor is present. This is advantageously done by a query according to the block 120 described above. Thus, for example, the communication between the sensor and the controller can be used to find a way to perform the self-test. If, for example, the sensor consumes only one quiescent current I R during operation without communication (see FIG. 6), then the current which is the difference between the average communication current I M K and the quiescent current I R can be used for heating the heating element equivalent. With a quiescent current consumption of the sensor of eg I R ~ 5 mA and a switched current level (= communication current) of I κ ~ 20 mA, a current of 5 mA would result for a mean communication current of I MK - 10 mA, which would be used to heat up the Heating element in step 520 is available. During or after the heating of the heating element and the membrane in step 520, as already described above, in the subsequent step 540 a detection of the deflection of the membrane is made. Thereupon, in step 560, depending on the deflection, a comparison is made with threshold values in order to decide whether there is a membrane defect. As already stated, in addition to the deflection of the membrane, the applied heating power or the detected temperature of the membrane can also be taken into account.
Die Erfassung der Temperatur während der Erwärmung der Membran ermöglicht die Rückkopplung der Temperatur und somit einen geregelten Aufheizprozess. Damit können z.B. Schädigungen des Sensors durch Überschreiten der für den Aufbau kritischenThe detection of the temperature during the heating of the membrane allows the feedback of the temperature and thus a controlled heating process. Thus, e.g. Damage to the sensor by exceeding the critical for the construction
Temperatur vorgebeugt werden.Temperature can be prevented.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann nach dem Schritt 500, d.h. nach der Erkenntnis, dass keine aktuelle Signalwertaufhahme des Sensors gewünscht ist, im Schritt 520 entsprechend dem Schritt 440 ein „Idle-Modus" aktiviert werden. Durch einen derartigen „Idle-Modus" wird der Sensor wenigstens für die Durchführung des Selbsttestes zur Signalwertaufhahme gesperrt, um keine falschen Sensorsignale durch die Erwärmung der Membran zu erzeugen.
In a further embodiment, after step 500, i. after the realization that no current signal value pick-up of the sensor is desired, an "idle mode" is activated in step 520 in accordance with step 440. By such an "idle mode", the sensor is locked, at least for performing the self-test for signal value recording, so as not to generate false sensor signals due to heating of the membrane.
Claims
1. Selbsttest für einen mikromechanischen Membransensor, insbesondere einen1. Self-test for a micromechanical membrane sensor, in particular a
Drucksensor, mit einer Membran, die ein Heizelement (160) und ein Erfassungsmittel (150) aufweist, wobei das Erfassungsmittel in Abhängigkeit von der Durchbiegung der Membran eine Auslenkungsgröße erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zum SelbsttestA pressure sensor, comprising a membrane having a heating element (160) and a detection means (150), wherein the detection means detects a deflection quantity as a function of the deflection of the membrane, characterized in that the self-test
- die Membran mittels des Heizelements (160) erwärmt und- The membrane by means of the heating element (160) heated and
- die Auslenkungsgröße in Abhängigkeit von der Erwärmung der Membran erfasst wird, wobei ein Membrandefekt durch einen Vergleich der Auslenkungsgröße mit einem vorgebbaren Schwellenwert erkannt wird.- The deflection amount is detected as a function of the heating of the membrane, wherein a membrane defect is detected by comparing the deflection size with a predetermined threshold.
2. Selbsttest nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich während der Erwärmung und/oder der Abkühlung der Membran durchgeführt wird.2. Self-test according to claim 1, characterized in that the comparison is carried out during the heating and / or cooling of the membrane.
3. Selbsttest nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkgröße mit Werten aus einem Kennfeld verglichen werden.3. Self-test according to claim 1 or 2, characterized in that the deflection amount are compared with values from a map.
4. Selbsttest nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Selbsttest zwischen zwei Messwertaufnahmen erfolgt.4. Self-test according to claim 1, characterized in that the self-test is carried out between two measured value recordings.
5. Selbsttest nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Membransensor zur Erfassung der Sensorgröße eine Steuerschaltung (100) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass die Steuerschaltung (100) das Heizelement (160) mittels eines Heizstroms erwärmt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der der Heizstrom maximal dem Betrag des Betriebsstroms bei der Erfassung der Sensorgröße entspricht.5. Self-test according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane sensor for detecting the sensor size comprises a control circuit (100), wherein it is provided that the control circuit (100) the heating element (160) by means of a Heating current, wherein it is provided in particular that the heating current corresponds to a maximum of the amount of the operating current in the detection of the sensor size.
6. Selbsttest nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Selbsttest in der Initialisierungsphase des Sensors durchgeführt wird.6. Self-test according to claim 5, characterized in that the self-test is carried out in the initialization phase of the sensor.
7. Selbsttest nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (160) vor der eigentlichen Initialisierungsphase des Sensors erwärmt wird und der Vergleich erst nach der Initialisierung durchgeführt wird.7. Self-test according to claim 5, characterized in that the heating element (160) is heated before the actual initialization phase of the sensor and the comparison is performed only after the initialization.
8. Selbsttest nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerschaltung zum Selbsttest wenigstens teilweise deaktiviert wird.8. Self-test according to claim 5, characterized in that the control circuit is at least partially deactivated for self-test.
9. Selbsttest nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Selbsttest in Abhängigkeit von dem zur Erfassung der Sensorgröße benötigten Strom durchgeführt wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Selbsttest in Phasen durchgeführt wird, in denen keine Erfassung der Sensorgröße vorgesehen ist.9. Self-test according to claim 8, characterized in that the self-test is carried out in dependence on the current required for detecting the sensor size, wherein it is provided in particular that the self-test is carried out in phases in which no detection of the sensor size is provided.
10. Mikromechanischer Membransensor, insbesondere ein Drucksensor, mit einer Membran, die ein Heizelement (160) und ein Erfassungsmittel (150) aufweist, wobei das10. A micromechanical membrane sensor, in particular a pressure sensor, with a membrane, which has a heating element (160) and a detection means (150), wherein the
Erfassungsmittel (150) in Abhängigkeit von der Durchbiegung der Membran eineDetecting means (150) depending on the deflection of the membrane
Auslenkungsgröße erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Membransensor ein Mittel (105) zur Durchführung eines Selbsttests zur Erkennung eines Membrandefekts nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.Detected deflection variable, characterized in that the membrane sensor comprises means (105) for performing a self-test for detecting a membrane defect according to one of claims 1 to 8.
11. Mikromechanischer Membransensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung des Selbsttest eine Steuer- und/oder Auswerteschaltung (100) verwendet wird, die zur Erfassung der Sensorgröße vorgesehen ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Steuer- und/oder Auswerteschaltung (100) in dem11. A micromechanical membrane sensor according to claim 10, characterized in that for carrying out the self-test a control and / or evaluation circuit (100) is used, which is provided for detecting the sensor size, wherein it is provided in particular that the control and / or evaluation circuit (100) in the
Membransensor integriert ist. Membrane sensor is integrated.
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