Beschreibung
Titel
Schaltung für einen mikromechanischen Körperschallsensor und Verfahren zum
Betrieb eines mikromechanischen Körperschallsensors
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen mikromechanischen Körperschallsensor bzw. ein Verfahren zum Betrieb eines mikromechanischen Körperschallsensors nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.
Aus DE 10 2004 029 078 Al ist es bekannt, einen Halbleiterbeschleunigungssensor vorzusehen und diesen mittels eines mechanischen Rüttlers zu testen. Aus DE 101 48 858 Al ist ein mikromechanischer Sensor mit Selbsttestfunktion bekannt, bei dem eine seismische Masse des mikromechanischen Sensors für den Selbsttest durch Anlegen einer Spannung bewegt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltung für einen mikromechanischen Körperschallsensor und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines solchen mikromechanischen Körperschallsensors mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche haben dem gegenüber dem Vorteil, dass auf eine mechanische Rüttelung im empfindlichen Frequenzbereich (>lkHz) verzichtet werden kann und das hochfrequente Testsignal in einer Schaltung des mikromechanischen Körperschallsensors selbst erzeugt wird. Damit ist insbesondere ein Test im Feld dauerhaft möglich. Eine Adaption auf eine Änderung von Betriebsparametern des Körperschallsensors im Betrieb ist somit möglich. Damit ist die erfindungsgemäße Schaltung bzw. das erfindungsgemäße
Verfahren einfacher und kostengünstiger als auch durch den Stand der Technik bekannt. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung durch einen Frequenzgenerator den Takt für den Testbetrieb zumindest zeitweise bereitzustellen, verschiedenste Möglichkeiten, Frequenzen auf den Körperschallsensor anzuwenden, um seine Charakteristik bezüglich dieser Frequenzen genauer auszuwerten. Zumindest zeitweise heißt vorliegend, dass der Frequenzgenerator nicht notwendigerweise im gesamten Testbetrieb den Takt bereitstellt; es kann auch Zeitabschnitte geben, in denen der Taktgenerator den Takt bereitstellt.
Die erfindungsgemäße Schaltung für den mikromechanischen Körperschallsensor verwendet einen Spannungsgenerator, um Spannungen auf ein mikromechanisches Element, das zur Erfassung des Körperschalls verwendet wird, zu beaufschlagen. Diese Beaufschlagung führt zu einer Veränderung des mikromechanischen Elements, mithin zu einer Bewegung von mikromechanischen Strukturen, die sich dann in einer Änderung von elektrisch erfassbaren Parametern ausdrücken. Diese Parameter werden von einer Auswerteschaltung aufgenommen und mit einer Abtastrate bearbeitet und letztlich ausgewertet. Die Abtastrate wird von einem Taktgenerator bereitgestellt und der Takt, in dem die Spannungen auf das mikromechanische Element beaufschlagt werden, wird ebenfalls durch den Taktgenerator erzeugt, aber im Testbetrieb zumindest zeitweise durch den Frequenzgenerator, wobei der Frequenzgenerator den Takt als ein Vielfaches oder als einen Teiler der Abtastrate erzeugt. Damit ist es möglich, ein entsprechendes Testsignal für den Körperschallsensor zu erzeugen, ohne separate Testeingänge vorsehen zu müssen und unter Beibehaltung der Abtastrate sowohl Normalbetriebs als auch im Testbetrieb.
Beispielsweise liefert der Taktgenerator die Abtastrate als einen Teiler des Systemtakts im Normalbetrieb und im Testbetrieb. Aus dem Takt des Taktgenerators werden auch die Spannungen für die Messphase im Normalbetrieb und im Testbetrieb gesteuert. Der Frequenzgenerator steuert in diesem Beispiel nur die zweite Phase des Spannungsgenerators: Im Normalbetrieb dadurch dass eine No-Test-Spannung anliegt, was einem Abschalten des Frequenzgenerators entsprechen kann. Im Testbetrieb wird
entsprechend der eingestellten Frequenz die Testspannung angelegt. Damit ist es möglich, den Körperschallsensor mit Frequenzen zu beaufschlagen, die einen Teiler der Abtastrate darstellen.
Insbesondere ermöglicht die Verwendung des Frequenzgenerators die Bewertung des Übertragungsverhaltens des Systems bei verschiedenen Frequenzen, ohne eine mechanische Anregung vorsehen zu müssen. Durch die Verwendung der gleichen Abtastrate der Auswerteschaltung im Testbetrieb und im Normalbetrieb wird eine identische Übertragungsfunktion in beiden Betriebsarten erreicht.
Unter dem Begriff „Schaltung" wird vorliegend eine integrierte Schaltung, eine Mehrzahl von integrierten Schaltungen und/oder eine Kombination aus integrierten und diskreten Bauelementen oder eine Schaltung nur aus diskreten Bauelementen verstanden. Teile der Schaltung können auch als Softwaremodule vorliegen.
Unter einem mikromechanischen Körperschallsensor wird ein Beschleunigungssensor verstanden, der ein mikromechanisch hergestelltes Sensierelement enthält, bei dem jedoch das Ausgangssignal nicht tiefpassgefiltert wird, denn das tiefpassgefilterte Signal ist das Beschleunigungssignal, das beispielsweise für Personenschutzsysteme oder Fahrdynamikregelsysteme verwendet wird. Bei der Körperschallsensorik ist der Körperschall von Interesse und dieser liegt über der Grenzfrequenz des für Beschleunigungssensoren üblichen Tiefpasses, beispielsweise bei 1-2 kHz. Dafür wird das Körperschallsignal dann bandpassgefiltert. Der Körperschallsensor kann im und/oder außerhalb eines Steuergeräts angeordnet sein. Unter dem Körperschallsensor wird nicht nur das mikromechanische Element, sondern auch die Elektronik, die erfindungsgemäß beschrieben wird, verstanden. Dazu gehören letztlich auch Mittel zum Übertragen der Daten, also beispielsweise ein Senderbaustein, der beispielsweise über eine Strommodulation die Daten zu einem Steuergerät oder einem Prozessor, beispielsweise einem Mikrocontroller, überträgt.
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Der Spannungsgenerator ist eine Schaltung, die die Spannungen zur Beeinflussung des mikromechanischen Elements erzeugt und mit dem mikromechanischen Element deshalb verbunden ist. Dafür weist der Spannungsgenerator entsprechende Mittel auf, um diese Spannungen zu erzeugen. Die Spannungen werden üblicherweise aus der Versorgungsspannung abgeleitet und können durch Spannungsstabilisierungsschaltungen erzeugt werden. Die Versorgungsspannung kann beispielsweise auch direkt als Testspannung verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, den Wert OV direkt zu verwenden, während alle anderen Spannungswerte abgeleitet sind.
Es ist möglich, dass ein Teil des Spannungsgenerators als Software vorhanden ist, um beispielsweise entsprechende Mittel anzusteuern, um die Amplitude der Spannung zu variieren. Dies kann jedoch auch hardwaremäßig realisiert sein.
Das mikromechanische Element ist beispielsweise eine Membran oder eine Fingerstruktur, die sich unter dem Einfluss der Spannungen bzw. einer äußeren Schwingung oder Beschleunigung bewegt und so elektrisch erfassbare Parameter an dem mikromechanischen Element verändert.
Auch die Auswerteschaltung kann eine Schaltung bzw. ein Schaltungsteil sein, wobei ein Teil softwaremäßig realisiert sein kann. Die Auswerteschaltung ist so mit dem mikromechanischen Element verbunden, dass sie wenigstens einen elektrisch erfassbaren Parameter, wie einen Kapazitätswert, erfassen kann. Auch Widerstandswerte oder andere Parameter können so erfasst werden. Die Auswerteschaltung tastet diese Parameter mit einer Abtastrate ab, die sowohl für den Test als auch für den Normalbetrieb gleich ist. Unter Auswertung wird vorliegend die Bereitstellung des Werts oder bereits eine Bestimmung, beispielsweise eine Übertragungskurve des Körperschallsensors, verstanden.
Unter einem Taktgenerator wird ein Schaltungsteil verstanden, der beispielsweise aus dem Systemtakt einen weiteren Takt ableitet und der vorliegend die Abtastrate und den Grundtakt des Spannungsgenerators für alle Betriebsmodi vorgibt. Auch der Taktgenerator kann als Zähler oder eine andere Schaltung realisiert sein. Es ist auch möglich, dass der Taktgenerator über einen eigenen Oszillator verfügt, von dessen Schwingungen der Takt abgeleitet wird.
Der Frequenzgenerator stellt den Takt für den Testbetrieb bereit, wobei dieser Takt ein Vielfaches oder ein Teiler der Abtastrate ist. Auch der Frequenzgenerator kann teilweise softwaremäßig realisiert sein.
Unter Normalbetrieb wird der Messbetrieb verstanden, während der Testbetrieb den Selbsttest des Körperschallsensors aufweist. Dies gilt insbesondere im Einsatz im Feld.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der in der unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Schaltung für einen mikromechanischen Körperschallsensor bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Körperschallsensors möglich.
Es ist vorteilhaft, dass der Frequenzgenerator programmierbar bezüglich des Takts ist. Diese Programmierung kann insbesondere über eine serielle digitale Schnittstelle, vorzugsweise eine sogenannte SPI-Schnittstelle, realisiert sein. Es ist möglich, auch andere Schnittstellen vorzusehen, beispielsweise bidirektionale Stromschnittstellen mit Manchestercodierung.
Die Programmierung ermöglicht verschiedene Frequenzen im Testbetrieb durchzufahren, um so genauere Informationen über das Verhalten des Körperschallsensors zu erhalten. Insbesondere kann damit eine Übertragungsfunktion ermittelt werden. Eine SPI-Schnittstelle ist eine Serial Peripherial Interface-Schnittstelle, bei der mehrere Leitungen parallel verwendet werden, beispielsweise eine Leitung vom Master zu einem Slave, eine weitere Leitung vom Slave zum Master zurück, Leitungen für chip select und den Takt. Mit chip select ist es möglich, den einzelnen Chip, der vom Master angesprochen werden soll, oder der dem Master Informationen übertragen soll, zu aktivieren.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass der Spannungsgenerator derart konfiguriert ist, dass der Spannungsgenerator im Normalbetrieb in jedem Takt für den Teil der Taktdauer solche Spannungen erzeugt, die eine Bewegung des wenigstens einen mikromechanischen Elements verhindern. Dabei kann beispielsweise an
jede Elektrode des mikromechanischen Elements das gleiche Potenzial gelegt werden, so dass damit eine ungewollte Bewegung verhindert wird. Dabei weist das mikromechanische Element beispielsweise drei Anschlüsse auf, wobei zwei Anschlüsse feste Elektroden aufweisen und eine Mittenelektrode beweglich ist. Für den anderen Teil der Taktdauer ist der Messbetrieb vorgesehen, weil dann die benötigten Spannungen an die Sensorelektroden angelegt werden. Diese Spannungen können sich abhängig vom Auswertekonzept auch über der Zeit ändern.
Es ist vorteilhaft die Spannungen für den Messbetrieb so zu wählen, das auch hier eine ungewollte Auslenkung des mikromechanischen Elements vermieden wird. Man muss also darauf achten, das sich im zeitlichen Mittel das gleiche Potenzial an jeder Elektrode einstellt.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass der Frequenzgenerator als Zähler, insbesondere digitaler Zähler, ausgebildet ist. Als Takt für den Zähler kann direkt der Systemtakt oder alternativ ein abgeleiteter Takt verwendet werden. Wenn der Zähler den eingestellten Wert, also die Bits zur Frequenzeinstellung, erreicht hat, wird er zurück auf null gesetzt. Mit jedem Rücksetzen wird das Vorzeichen der Spannungen an den festen Elektroden getauscht. Dadurch entsteht, wie oben beschrieben, die hochfrequente Anregung des Sensors. Es ist jedoch möglich, auch andere Einflussmöglichkeiten vom Stand des Zählers vorzusehen, wie beispielsweise eine Spannungsvariation. Im Testbetrieb kann durch die Anzahl der Auslenkimpulse bzw. -richtung, realisiert durch den Zähler oder ein Vorzeichenwechsel die Frequenz einstellen. Es sind auch weitere Modulationsarten möglich, wie beispielsweise eine Pulslängenvariation und/oder eine Amplitudenvariation.
Vorteilhafterweise kann die Auswerteschaltung anhand der Auswertung des wenigstens einen Parameters einen Abgleich des Körperschallsensors im Testbetrieb durchführen. Mit Testbetrieb ist eben der Test des Körperschallsensors gemeint, während mit Normalbetrieb der Messbetrieb des Körperschallsensors bezeichnet ist. Diese Abgleichwerte werden dann entweder im Sensor oder in einem Steuergerät abgespeichert und können so zur Verarbeitung der Messwerte des Körperschallsensors verwendet werden. Dabei
wird ein Empfindlichkeitsabgleich, basierend auf der Auswertung der Parameter, durchgeführt. Testsignalanregungen können sowohl tieffrequent als auch hochfrequent vorgenommen werden, wobei tieffrequente Anregungen unterhalb von 1-2 kHz sind und hochfrequente solche darüber. Die Testsignale bei hohen Frequenzen führen zur Bestimmung der Empfindlichkeit im hohen Frequenzbereich.
Vorteilhafterweise kann mithilfe der verschiedenen Selbsttestfrequenzen die Empfindlichkeit des Sensors im Körperschallbereich relativ zur niederfrequenten Empfindlichkeit getestet werden. Somit ist mit einem Abgleich des Sensors im niederfrequenten Bereich (wie bei bisherigen Beschleunigungssensoren) und der Hinzunahme des Verhältnisses von hochfrequentem zu niederfrequentem Testsignal ein Abgleich der hochfrequenten Empfindlichkeit möglich, ohne den Sensor in diesem Bereich mechanisch stimulieren zu müssen.
Es ist möglich, dass mit dem multifrequenten Selbsttest und vorliegend besonders vorteilhafterweise mit dem Verhältnis aus hochfrequentem zu niederfrequentem Testsignal nicht nur ein Abgleich, sondern auch eine nachträgliche Überprüfung der Empfindlichkeit stattfinden kann. Damit können z.B. bei jedem Startup Veränderungen im Sensorelement festgestellt werden wie Federbruch oder Änderungen der Dämpfung, die wiederum aus einer Änderung der Gaszusammensetzung oder des Drucks im mikromechanischen Sensor verursacht werden können.
Es ist weiterhin vorteilhaft, dass die Auswerteschaltung in Abhängigkeit von dem wenigstens einen Parameter eine Dichtigkeitsprüfung des Körperschallsensors durchführt. Grundlegend für die Funktionalität von Beschleunigungssensoren und damit von Körperschallsensoren ist eine hermetische Verkapselung des Sensorelements. Dieses gewährleistet u.a., dass ein bei einem bestimmten Innendruck eingeschlossenes Gas nicht entweichen kann. Das eingeschlossene Gas beeinflusst direkt die Sensoreigenschaften, indem es die Dämpfung und damit die Resonanzfrequenz der beweglichen mikromechanischen Strukturen bestimmt. Weiterhin ist eine hermetische Verkapselung wichtig für den Schutz der empfindlichen mikromechanischen Komponenten gegen Umwelteinflüsse wie z.B. Feuchte. Die hermetische Verkapselung wird durch einen Kappenwafer, der
auf dem Sensorwafer durch Sealglas angeklebt wird, ermöglicht. Das Sealglas wird um jede einzelne mikromechanische Struktur auf den Sensorwafer gedruckt, so dass jedes Sensorelement nach dem Vereinzeln dicht sein soll. Vorliegend wird die Dichtigkeit dadurch beispielsweise ermittelt, dass sowohl eine hochfrequente Anregung des mikromechanischen Elements als auch eine tieffrequente Anregung des mikromechanischen Elements stattfindet. Dieses niederfrequente Ausgangssignal ist sensitiv auf die Prozesssteuerung, jedoch nicht auf die Dämpfung und damit auf den Innendruck. Demnach ermöglicht das individuelle Verhältnis von hochfrequentem zu niederfrequentem Ausgangssignal eine noch klarere Trennung von dichten zu undichten Sensoren. Dieser Test ist beim Endmessen und bei allen Bedingungen, in denen eine definierte Temperatur sichergestellt werden kann, möglich. Grundsätzlich ist dieses Vorgehen auch für verschiedene Temperaturen, und damit für verschiedene Sensorapplikationen, im Feld anwendbar. Der Test ist beispielsweise vollständig in einer integrierten Schaltung realisiert, wobei eine entsprechende Aktivierung eines Fehlerflags ermöglicht wird.
Es ist auch von Vorteil, dass der Takt im Testbetrieb sequentiell verschiedene Werte annimmt, um damit eine Übertragungsfunktion des Körperschallsensors zu ermitteln. Damit ist beispielsweise ein Durchfahren der Frequenz gemeint, um eine möglichst genaue Übertragungsfunktion des Körperschallsensors in Abhängigkeit von der Frequenz zu ermitteln.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines Personenschutzsystems in einem Fahrzeug,
Figur 2 einen Auswertepfad eines Körperschallsensors,
Figur 3 ein Blockschaltbild eines Körperschallsensors,
Figur 4 ein weiteres Blockschaltbild eines Körperschallsensors,
Figur 5 der erfindungsgemäße Normalbetrieb,
Figur 6 der erfindungsgemäße Testbetrieb,
Figur 7 eine Übertragungsfunktion des Körperschallsensors,
Figur 8 eine mögliche Verteilung von dichten zu undichten Sensoren in Abhängigkeit von einer Hochfrequentenanregung,
Figur 9 eine entsprechende Verteilung der Sensoren in Abhängigkeit vom Verhältnis hochfrequenten zu einer tieffrequenten Anregung,
Figur 10 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Personenschutzsystems, wobei vorliegend nur auf erfindungswesentliche Teile eingegangen wird und diese auch nur dargestellt sind. Andere, zum Betrieb des Personenschutzsystems notwendige Teile sind der Einfachheit halber weggelassen worden. Im Fahrzeug FZ ist ein Steuergerät SG zur Ansteuerung von Personenschutzmitteln PS wie Airbags oder Gurtstraffer vorgesehen. An das Steuergerät SG ist eine Körperschallsensorik KS, die sich außerhalb des Steuergeräts SG befindet, über eine Schnittstelle IF angeschlossen. Innerhalb des Steuergeräts SG ist eine Körperschallsensorik KSl vorhanden. Es ist möglich, dass die Körperschallsensorik innerhalb und/oder außerhalb des Steuergeräts SG angeordnet ist. Weitere Unfallsensoren sind der Einfachheit halber weggelassen worden, ebenso andere elektronische Bauteile des Steuergeräts wie Speicher, weitere Schnittstellen, ein paralleler Hardwareauslösepfad, Energiereserve usw. . Sowohl die Schnittstelle IF als auch die Körperschallsensorik KSl sind an den Mikrocontroller μC angeschlossen, der die Signale der Körperschallsensorik KS und der Körperschallsensorik KSl in einem Ansteuerungsalgorithmus für Personenschutzmittel verarbeitet. In Abhängigkeit von dem Ergebnis steuert der Mikrocontroller μC eine Ansteuerschaltung FLIC an, die Leistungsschalter aufweist, deren Schließen ein Aktivieren der Personenschutzmittel PS bedeutet.
Die Körperschallsensorik KS, KSl liefert umfangreiche Informationen, die auch sehr frühzeitig vorhanden sind, über einen Kollisionsfall und ermöglicht so eine genaue und zuverlässige Ansteuerung der Personenschutzmittel PS. Insbesondere eignet sich die Körperschallsensorik zur Plausibilisierung von anderen Unfallsignalen. Zu solchen Signalen gehören Beschleunigungssignale, Luftdrucksignale und auch Umfeldsignale.
Die Körperschallsensorik kann jedoch auch noch für andere technische Anwendungsgebiete verwendet werden.
Figur 2 zeigt einen Auswertepfad des Körperschallsensors KS. Die Beschleunigung a vom mikromechanischen Element geht zunächst auf einen Bandpass BP, der niederfrequente Beschleunigungen sperrt. Daraufhin folgen ein Gleichrichter R und ein Tiefpassfilter LP, die die Schallstärke auswerten. Das mikromechanische Element ist ein Teil der Signalverarbeitungskette und daher mit seinem PT2-Tiefpassverhalten an der Gesamtübertragungsfunktion beteiligt.
Figur 3 zeigt ein weiteres Blockschaltbild des Körperschallsensors KS. Das mikromechanische Sensorelement SE ist über Signalein- und -ausgänge mit der erfindungsgemäßen Schaltung ASIC verbunden. Das Sensorelement SE liefert den wenigstens einen Parameter, beispielsweise die Kapazität, und wird durch den ASIC bezüglich der Spannungen für den Normal- bzw. Testbetrieb konditioniert. Der ASIC kann auch eine Digitalisierung der Messdaten vornehmen, die dann über die Schnittstelle IFl zum Steuergerät SG übertragen werden. Die Übertragung kann durch eine Strommodulation vorgenommen werden, wobei beispielsweise eine Powerline-Datenübertragung verwendet wird. Abgleichdaten können auch am Körperschallsensor KS in einem Speicher abgespeichert werden, wobei der Speicher Teil der Schaltung ASIC oder ein externer Speicher sein kann.
Figur 4 zeigt in einem weiteren Blockschaltbild den Aufbau des Körperschallsensor bezüglich des ASICs und des Sensorelements. Dargestellt sind hier nur erfindungswesentliche Teile des ASICs, der weitere Schaltungsteile aufweisen kann. Anstatt des ASICs kann beispielsweise auch ein Mikroprozessor
mit entsprechenden Schnittstellen verwendet werden. Auch andere Prozessortypen sind möglich, auch ein diskreter Aufbau ist möglich.
Vorliegend ist das mikromechanische Element 405 durch die Außenelektroden Cl und C2, die fest sind, und die Mittelelektrode CM charakterisiert. Die Mittelelektrode CM kann sich bezüglich der Außenelektroden (Cl und C2) bewegen, so dass sich die Kapazitäten zwischen der Mittelelektrode und den jeweiligen Außenelektroden dabei ändern. Diese Bewegung der Mittelelektrode CM kann in Folge von aufgebrachten Verzögerungen, Schallsignalen oder auch angelegten Spannungen entstehen. Entsprechende Vorspannungen können auch für den Messbetrieb vorgesehen sein. Diese Spannungen UCl, UCM und UC2 werden vom Spannungsgenerator 404 bereitgestellt. Der Spannungsgenerator stellt die Spannungen, die bezüglich der Amplitude auch einstellbar sind, in einem vorgegebenen Takt zur Verfügung und beaufschlagt damit die einzelnen Elektroden Cl, CM und C2 mit den Spannungen UCl, UCM, UC2. Der Takt wird entweder vom Taktgenerator 403 oder vom Frequenzgenerator 401 bereitgestellt. Der Taktgenerator 403 leitet den Takt beispielsweise vom Systemtakt 402 ab, oder er verfügt über eigene Oszillatorschaltungen, um den Takt zu erzeugen.
Der Frequenzgenerator 401 verwendet ebenfalls den Systemtakt 402, wird jedoch über die Schnittstelle 400, die beispielsweise als SPI-Schnittstelle ausgebildet ist, über einen Datenbefehl angesteuert, welche Frequenz und welchen Takt der Frequenzgenerator 401 an den Spannungsgenerator 404 übertragen soll.
Erfindungsgemäß ist der Takt, der den Frequenzgenerator 401 bereitstellt, ein ein Teiler oder ein Vielfaches des Taktes, den der Taktgenerator 403 bereitstellt. Welcher Takt genommen wird, entscheidet eine Logik, die im Normalbetrieb den Takt des Taktgenerators 403 und im Testbetrieb den Takt des Frequenzgenerators 401 verwendet. Diese Logik ist beispielsweise im Spannungsgenerator 404 lokalisiert.
Beim Abgleich wird der SPI-Befehl von der Testmaschine gesendet, später im fertigen Steuergerät kommt der SPI-Befehl von dem enthaltenen Mikrocontroller
μC. Es wäre auch denkbar, dass der ASIC ohne einen externen SPI-Befehl verschiedene Tests durchführt und auch auswertet z.B. um einen erweiterten Selbsttest zu realisieren. Dann müsste aber der genaue Ablauf definiert und fest in Hardware codiert werden.
Der Spannungsgenerator 404 appliziert nun die Spannungen UCl, UCM und UC2 auf das mikromechanische Element 405 und führt damit eine Veränderung der Kapazitäten Cl und C2 durch. Diese Kapazitäten werden durch die Auswerteschaltung 406 mit einer Abtastrate, die von Taktgenerator 403 stammt, aufgenommen und letztlich ausgewertet. Die Auswertung kann auch nur das Bereitstellen des Parameters sein. Es ist möglich, dass mehr als ein Parameter aufgenommen wird.
Figur 5 zeigt in einem Signalzeitdiagramm den normalen Betrieb, den die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht. Dargestellt sind die Spannungen UCl, UCM und UC2. Die grauen Anteile 50 stellen die Messung des Körperschallsignals dar, während im Abschnitt 51 die sogenannte no test- Spannung UNT appliziert wird und so eine Bewegung der Mittelelektrode CN relativ zu den Außenelektroden Cl und C2 verhindert. Dies geschieht bei allen Spannungen UCl, UCM und UC2.
Um den Testbetrieb als Empfindlichkeitsabgleich nützen zu können, muss sichergestellt werden, dass sich das System im Testbetrieb möglichst identisch zum Normalbetrieb verhält. Aus diesem Grund wird das Taktschema im Normalbetrieb so geändert, dass ein Testbetrieb möglich wird, der ohne Veränderung der Abtastrate auskommt. Zu diesem Zweck wird ein Teil, z.B. 50% jedes Taktzykluses genutzt, um eine no test-Spannung an alle Elektroden anzulegen. Für eine effektive Realisierung wird für die no test-Spannung eine Spannung gewählt, die bereits im System vorhanden ist, zum Beispiel das Bezugspotenzial der Auswerteschaltung, in vielen Systemen die halbe Versorgungsspannung. Da alle Elektroden das gleiche Potenzial haben, wird das Sensorelement nicht ausgelenkt.
Figur 6 zeigt nunmehr den Testbetrieb, wobei wiederum die Spannungen UCl, UCM und UC2 dargestellt sind. Wiederum wird im Abschnitt 60 eine normale
Messung durchgeführt, während in den Abschnitten 61 und 62 die entsprechenden Testspannungen an die Elektroden appliziert werden. Durch Vertauschung der Spannungen an UCl und UC2 kann wieder eine Auslenkung in die andere Richtung realisiert werden.
Wie oben dargestellt, ist zur Realisierung eines hochfrequenten Testsignals die Schaltung um einen Frequenzgenerator erweitert worden. Für den Empfindlichkeitsabgleich einer bestimmten Frequenz ist es ausreichend, einen Frequenzgenerator für eine einzige Frequenz, beispielsweise 10 kHz zu haben. Um auch die Übertragungsfunktion des Sensors testen zu können, ist der Frequenzgenerator programmierbar ausgelegt. Die Programmierung erfolgt über die Digitalschnittstelle des ASICs, in unserem Fall eine SPI-Schnittstelle.
Die Anordnung erlaubt die Erzeugung von beliebigen Testfrequenzen als Teiler der Abtastfrequenz. Beispiel: Bei einer Abtastrate von 125 kHz können alle Frequenzen mit 125 kHz durch 2*N dargestellt werden. N ist dabei eine ganze Zahl mit N => 1.
Figur 7 zeigt eine Übertragungsfunktion 71, wobei die Kurvenformen für 50 Fälle, kombiniert mit dem Bandpass, dargestellt werden. Diese Sensoren waren statistisch auf dieselbe Empfindlichkeit abgeglichen. Aus der Streuung im Durchlassbereich 72, gekennzeichnet durch 70, ist zu erkennen, dass ein Abgleich bei tiefer Frequenz nicht ausreicht, um die Streuung der Übertragungsfunktion im Durchlassbereich des Sensors zu minimieren. Der Grund dafür ist die Dämpfung des mechanischen Systems, die auf die statische Empfindlichkeit keinen Einfluss hat, auf die Empfindlichkeit im Bandpassbereich aber sehr wohl.
Beim vorgeschlagenen Empfindlichkeitsabgleich wird nun davon ausgegangen, dass die Relation der Empfindlichkeit bei hoher Frequenz zur niederfrequenten bzw. statischen derselben Proportionalität unterliegt wie das hochfrequente zum niederfrequenten bzw. statischen, das heißt niederfrequenten Testsignal. Dies wurde durch Untersuchungen bestätigt.
Wenn man ein Testsignal an das Sensorelement anlegt, wird die seismische Masse des Sensorelements auf Grund der elektrostatischen Kraft ausgelenkt. Es folgt wie schon erläutert eine Kapazitätsänderung, die vom ASIC in ein nahezu proportionales Ausgangssignal umgewandelt wird. Ein periodisches Testsignal bewirkt dementsprechend ein periodisches Ausgangssignal, das im ASIC weiter ausgewertet werden kann. Die Auswerteelektronik muss dafür als Signalpfad einen Hochpass oder einen Bandpass, der die angeregte Frequenz beinhaltet, einen Effektivwertbilder und einen Tiefpass bereitstellen. Am Ende des Signalpfads steht dann ein einfach auswertbares Gleichspannungssignal U_HF. Entsprechend der Frequenz vom Eingangssignal und der Übertragungsfunktion vom Beschleunigungssensor inklusive ASIC ändert sich der Betrag von U_HF frequenzabhängig. Dies ist in Fig. 7 gezeigt. Wie erwähnt ist diese Übertragungsfunktion mit dem multifrequenten Selbsttest an gewissen Stützstellen (Teilern der Abtastfrequenz) verifizierbar, was sowohl für den Empfindlichkeitsabgleich bei diesen Frequenzen als auch für eine nachträgliche Überprüfung der Empfindlichkeit genutzt werden kann.
Insbesondere in der Umgebung der Resonanzfrequenz des Sensorelements spielt die Dämpfung eine große Rolle. Will man beispielsweise überprüfen, ob die Dämpfung sich geändert hat, ist es besonders vorteilhaft, eine Testfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz des Sensors zu wählen. Allerdings wird das hochfrequente Testsignal nicht ausschließlich von der Dämpfung, sondern auch von Prozessstreuungen bestimmt, was eine eindeutige Trennung unterschiedlicher Dämpfungseigenschaften (beispielsweise hervorgerufen durch unterschiedliche Gaszusammensetzungen) erschwert. Dies zeigt Figur 8. Die Kurve 90 ist die Verteilung von verschiedenen Sensoren in Abhängigkeit von der Spannung U_HF. Die Sensoren 91 sind dicht, wenn die Sensoren 93 undicht sind. Die Grenze liegt bei 92, wobei hier ein Überlappungsbereich vorliegt.
Um eine noch bessere Beurteilung der Dämpfung zu erreichen, wird vorgeschlagen, zusätzlich die Ausgangsspannung einer niederfrequenten Anregung hinzuziehen. Die Auswertung des niederfrequenten Testsignals kann über den herkömmlichen Tiefpasskanal, beispielsweise 400 Hz, der zur Zeit in allen Beschleunigungssensoren enthalten ist, erfolgen. Dieses niederfrequente Ausgangssignal ist sensitiv auf die Prozesssteuerung, jedoch nicht auf die
Dämpfung. Demnach ermöglicht das individuelle Verhältnis vom hochfrequenten zum niederfrequenten Ausgangssignal U_HF durch U_LF eine noch klarere Trennung unterschiedlicher Dämpfungseigenschaften, beispielsweise hervorgerufen durch eine veränderte Gaszusammensetzung. Dies zeigt Figur 9. Die Kurve 100 zeigt wiederum die Verteilung der Sensoren mit Gaszusamensetzung 1 101 und2 103. Die Trennung 102 ist klar und zeigt keinen Überlappbereich.
Figur 10 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Verfahrensschritt 200 wird geprüft, ob ein Testbetrieb oder ein Normalbetrieb vorliegt. Liegt ein Testbetrieb vor, dann wird zu Verfahrensschritt 204 gesprungen, wobei nunmehr der Takt vom Frequenzgenerator, beispielsweise über Programmierung, für den Spannungsgenerator bereitgestellt wird. Die Abtastrate wird in Verfahrensschritt 205 vom Taktgenerator, wie auch im Normalbetrieb, bereitgestellt. In Verfahrensschritt 206 erfolgt die Beaufschlagung des mikromechanischen Elements mit den Spannungen an den Elektroden. In Verfahrensschritt 203 erfolgt dann die Auswertung der Parameter, mit der sich die Änderungen der Mikrostruktur ausdrücken.
Wurde in Verfahrensschritt 200 festgestellt, dass kein Testbetrieb, sondern ein Normalbetrieb vorliegt, dann werden der Takt und die Abtastrate vom Taktgenerator in Verfahrensschritt 201 bereitgestellt. In Verfahrensschritt 202 erfolgt die Beaufschlagung des mikromechanischen Elements mit den Messspannungen bzw. einem Teil des Takts mit der no test-Spannung, um eine Bewegung der Mittelelektrode gegenüber den festen Außenelektroden zu verhindern. Die Messwerte werden in Verfahrensschritt 203 ausgewertet. Verfahrensschritt 207 erfolgt dann für den Testbetrieb der Abgleich bzw. Prüfungen und im Normalbetrieb die Messung, die dann beispielsweise in einem Auslösealgorithmus für Personenschutzmittel ausgewertet wird.