WO2009083328A1 - Pressure sensor, and method for the calibration thereof - Google Patents

Pressure sensor, and method for the calibration thereof Download PDF

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WO2009083328A1
WO2009083328A1 PCT/EP2008/065358 EP2008065358W WO2009083328A1 WO 2009083328 A1 WO2009083328 A1 WO 2009083328A1 EP 2008065358 W EP2008065358 W EP 2008065358W WO 2009083328 A1 WO2009083328 A1 WO 2009083328A1
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WO
WIPO (PCT)
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membrane
pressure sensor
deflection
electrostatic force
voltage
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/065358
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German (de)
French (fr)
Inventor
Ulrike Scholz
Marko Rocznik
Janpeter Wolff
Remigius Niekrawietz
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01L27/002—Calibrating, i.e. establishing true relation between transducer output value and value to be measured, zeroing, linearising or span error determination

Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating a pressure sensor and a pressure sensor, comprising a movable membrane, which extends over a cavity, at least one pair of electrodes, which can be acted upon by an electrical voltage, wherein the electrical voltage leads to a deflection of the membrane and means for Determination of the deflection of the membrane.
  • Such pressure sensors can be used to control various functions in motor vehicles, e.g. for engine control.
  • pressure ⁇ sensors of the type mentioned in pressure chambers to suspend different pressures and the distance between the Membrane and the underlying carrier substrate to measure. From these measurement signals Kalib ⁇ erkoefflzienten can be obtained, which can be stored in a memory integrated in the pressure sensor. During operation of the pressure sensor, the output signal is supplied with these stored calibration coefficients. As a result, a pressure value can be assigned directly to a measured capacitance value. To further improve the accuracy of measurement, it is known to record the pressure sensor map at different temperatures and to additionally carry out a temperature compensation of the output signal during operation of the pressure sensor.
  • the invention has for its object to provide a method for calibrating pressure sensors at your disposal, which manages without on ⁇ walligen use of a pressure chamber. Furthermore, the invention has for its object to provide a calibration method and a calibratable pressure sensor, which allows a self-calibration during the application of the pressure sensor and thus solves the problem of long-term drift.
  • the object is achieved according to the invention by a method for calibrating a pressure sensor, which has a movable membrane over a cavity, wherein for calibration, the membrane is deflected by an electrostatic force and this deflection is measured.
  • a pressure sensor comprising a movable membrane, which over a cavity extends, at least one electrode pair, which is acted upon by an electrical voltage, wherein the electrical voltage leads to a deflection of the membrane, means for determining the deflection of the membrane and a plurality of switching elements to each individual electrode of the electrode pair with a first electrical potential or to connect to a second electrical potential.
  • Pressure sensor comprising a movable membrane which extends over a cavity, at least one pair of electrodes, which is acted upon by an electrical voltage, wherein the electrical voltage leads to a deflection of the membrane, a charge amplifier for capacitive
  • the pressure sensor in the sense of the present invention has a membrane as a movable sensor element, which can be produced, for example, micromechanically or by precision engineering and is deflected by the action of an external gas or liquid pressure.
  • the movable sensor element has a restoring force, which brings the sensor element in the absence of an external force in the rest position. The deflection can be measured either capacitively or piezoresistively.
  • Erfmdungsgehold has been recognized that for the calibration of such a pressure sensor does not necessarily have to act caused by a pressure difference force on the membrane of the pressure sensor.
  • erfmdungsgebin proposed that the calibration can also be done by an electrostatic force, which is identical in magnitude and direction with the force generated by pressurization.
  • electrostatic force By varying the electrostatically generated force can be as well as in a pressure chamber determine the output signal of a pressure sensor in response to different measures. From this determined response function Kalib ⁇ er- koefflzienten can be obtained and stored, for example, in a memory integrated in the pressure sensor or in a connected to the pressure sensor control unit.
  • this is erfmdungsgeclar equipped with at least one electrode which is connectable to an AC voltage source.
  • the second terminal of the AC voltage source is connected to a counter electrode below the membrane.
  • the erfmdungsgebine method is based on the fact that the membrane with the underlying cavity and the counter electrode is a plate capacitor.
  • the capacitance of this capacitor is determined by the area of the membrane and the underlying counter electrode and their spacing.
  • the electrostatic force upon application of a voltage depends on the magnitude of the electrical voltage and the distance between the membrane and the underlying counter electrode. Since this distance can be greater than 10% in the manufacture of a variety of sensors, it must be determined by measurement before calibration. After the distance is determined, a defined force can be exerted on the membrane by applying a defined voltage. This then serves to determine the mechanical properties of the membrane, such as thickness and mechanical stress, which significantly influence the output signal of the pressure sensor.
  • the height of the cavity ie the distance between the membrane and the underlying counter electrode, determined by measuring the Grundkapazitat without a force acting on the membrane.
  • a membrane is referred to as being free from external forces when no electrostatic force acts on the membrane and preferably also no pressure difference occurs between the two sides of the membrane.
  • both sides can be connected to an identical reference pressure, for example the ambient pressure.
  • the influence of the normal ambient pressure may be so low that under normal environmental conditions the membrane can be considered as free of force for the purposes of the invention.
  • the intended determination of the height of the cavity is based on the fact that the capacitance of the sensor is determined by the area of the membrane and the underlying counterelectrode and their spacing. Since the surface of the membrane in the production of the pressure sensor with high accuracy is reproducible, a measurement of this area can remain ⁇ . For example, the fluctuating edge loss in the production of the membrane is only about 1/10 ⁇ m. With a diameter of the membrane of 1 mm ⁇ 2/10 microns, this results in an accuracy of the membrane surface of about 0.02%. Thus, a fluctuating basic capacity can be attributed mainly to the influence of a fluctuating height of Kavitat and the height of the Kavitat can be determined from the measured capacity with high accuracy.
  • the measurement of the deformation of the membrane takes place either capacitively over the height of the membrane or by piezoresistive elements which are shear-stiffly connected to the membrane and undergo a deformation upon deformation of the membrane, which leads to a change in resistance.
  • the electrostatic force is generated by an alternating voltage, in particular by an alternating voltage whose frequency is selected below the mechanical limit frequency of the membrane and above the bandwidth of the output signal of the pressure sensor.
  • the frequency is selected in a range of the mechanical transmission function, in which the drop is still negligible compared to the static deflection. Since the amount of voltage and thus the electrostatic force exerted on the membrane continuously changes with an alternating voltage, the entire measuring range is continuously passed through.
  • the electrostatic force for calibrating the sensor element is generated by an electrical alternating voltage with a constant frequency. Due to the constant frequency, a particularly simple separation of the calibration signal from the measurement signal can take place, for example by means of a narrow-band bandpass filter.
  • the electrostatic force can also be generated by a DC electrical voltage, which is modulated quasi-digitally by pulse width modulation or as a delta-sigma data stream.
  • a quasi-digital modulation is to be understood as meaning a signal which has a digital amplitude and an analog time behavior.
  • This signal together with the filtering transmission function of the sensor element, generates a force.
  • This in turn is digitally adjustable.
  • the sensor element is thus part of an electromechanical digital-to-analog converter.
  • the pressure sensor further comprises a device for detecting the output signal of the Divide pressure sensor into a dependent of the measured size part and a dependent on the electrostatic force part.
  • a splitting of the pressure sensor signal allows the continuous determination of a pressure while the sensitivity of the pressure sensor can be checked with the calibration method according to the invention.
  • the output signal of the pressure sensor is freed by a low-pass from those portions which are caused by the electrostatic force.
  • the output signal of the pressure sensor is released by a high pass from those portions which are caused by the pressure difference on both sides of the membrane. Both signal components can then be further processed in separate circuit parts.
  • Figure 1 shows a surface micromechanical pressure sensor according to the prior art.
  • FIG. 2 shows the surface micromechanical pressure sensor according to FIG. 1 with additional electrodes.
  • FIG. 3 shows a surface micromechanical pressure sensor with piezoresistive measuring devices for pressure measurement and the possibility of calibration according to the invention.
  • Figure 4 shows a surface micromechanical pressure sensor with piezoresistive measuring devices in the erfmdungsgewillen calibration on a chuck.
  • Figure 5 shows a block diagram of a system model for a self-test of a pressure sensor and FIG. 6 shows a possible realization of the self-test in analogue time-contingent circuit technology.
  • Figure 7 shows an exemplary embodiment of a erfmdungsgedorfen calibration device with quasi-digital generation of the test signal.
  • FIG. 1 shows a surface micromechham pressure sensor. This is constructed on a substrate 1. This is usually a silicon substrate. A membrane 2 with an underlying cavity is formed on the silicon substrate by a plurality of successive masking and etching steps. The membrane 2 has the thickness d and the diameter or the edge length D. It is either electrically conductive on its own or has a conductive coating on at least one surface. This conductive coating is connected via conductor tracks with a measuring electronics. Within the cavity and thus the membrane 2 opposite another electrode 3 is formed, for example by implantation or deposition of a conductive coating, for example of a metal or an alloy. Also, this electrode 3 is contacted by interconnects and connectable to an evaluation circuit. The evaluation circuit can also be designed monolithically integrated on the silicon substrate 1.
  • the membrane 2 or its conductive coating together with the electrode 3 forms a plate capacitor. Its capacity depends on the constant area of the membrane 2 and their distance from the counter electrode 3 from.
  • FIG. 2 shows the pressure sensor according to FIG. 1 with further components.
  • This pressure sensor further comprises additional electrodes 4.
  • an electrical voltage can be applied, which generates an electrostatic force between the membrane 2 and the counter electrode 3.
  • the applied electrical voltage is selected such that the same mechanical stress is induced in the membrane 2 as when a predefinable pressure is applied.
  • a capacitance can be determined via the capacitive distance measurement for a predefinable electrical voltage, which capacitance can be measured even when the corresponding pressure is present.
  • Capacitance value directly a mechanical tension of the diaphragm 2 and thus can be assigned to a prevailing pressure.
  • the coefficients of the calibration curve are finally stored in a memory, not shown in Figure 2 of the pressure sensor and are available for further operation at your disposal.
  • FIG. 3 shows a piezoresistive pressure sensor.
  • This also has a membrane 2, which extends over a Kavitat and upon application of a pressure difference between the cavity and the outer space enters a deformation of the membrane 2 a.
  • the membrane is at least one piezoresistive Element 5 shear stiff connected, so that the element 5 is also deformed upon deformation of the membrane. This deformation leads to a measurable change in the electrical resistance of the piezoelectric element 5.
  • a counter electrode 6 located in the cavity below the membrane 2 a counter electrode 6.
  • this counter electrode 6 is formed by a conductive doped wafer, which is bonded to the carrier substrate 1 by means of an intermediate oxide layer 7.
  • the oxide layer 7 serves for insulation if the membrane 12 strikes the electrode 6 at high deformation.
  • the voltage for generating the electrostatic force is applied between the electrode 6 and the likewise conductive membrane 2.
  • This electro ⁇ statically induced deformation acts in the same way as an applied during operation of the pressure sensor pressure.
  • the calibration can be performed without a pressure chamber.
  • the electrode 6 may also consist of another conductive material, for example a metal or an alloy.
  • the insulator 7 can also be formed by a polymer or a seal glass in a further embodiment. He may have a recess in the region of the cavity.
  • FIG. 4 shows a similar pressure sensor to FIG. 3 without the counterelectrode 6 used there.
  • the insulation 7 forms a gastight seal of the hollow space under the membrane 2.
  • the substrate 1 with the membrane 2 and the piezoresistive elements 5 can also be arranged in a differential pressure sensor can be used in which an unillustrated housing both sides of the membrane 2 are subjected to different pressures.
  • the counterelectrode necessary for the electrostatic calibration is formed by the chuck 8 of a wafer tester.
  • an electrostatic calibration according to the present invention or a functional test of the pressure sensors 5 immediately possible in the factory.
  • Figure 5 shows a block diagram of a erfmdungsgedorfen system model for self-test of a pressure sensor. From the result of the calibration procedure one obtains an adjustment curve, from which the coefficients for the sensor adjustment are obtained. After applying these coefficients in the Kalibriervor ⁇ chtung has the
  • an electrostatic force is applied to the membrane of the pressure sensor by means of an AC voltage source 9.
  • a measured variable for example an air pressure
  • the membrane is deflected by both forces, so that the measuring circuit of the sensor element detects a signal representing the sum of the electrostatic force and the force of the air pressure.
  • This sum is converted into a calibrated signal by means of a calibration device with the stored calibration coefficients.
  • This calibrated sum signal now also consists of the measured air pressure and the electrostatic force.
  • a high-pass filter is arranged in the second signal branch.
  • the cutoff frequency of this high pass filter is above the change frequency of the measurement signal below the
  • the response of the pressure sensor is compared to the electrostatic force with a desired value. Deviation from the target value indicates a defect in the pressure sensor. Such a defect can be, for example, soiling, icing or breakage of the membrane 2.
  • a detected error can either be issued to the user or trigger an automated recalibration.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a circuit for calibration in analogue electronics.
  • a high-frequency carrier signal from an AC voltage source 9 is used. This carrier signal is transmitted via the capacitive pressure sensor to an evaluation circuit with an operational amplifier 10 fed.
  • the operational amplifier 10, R2 and C2 together form a capacitance-voltage converter (C / U converter).
  • the output voltage of the operational amplifier 10 after demodulation is a measure of the capacitance of the pressure sensor and thus the measured size.
  • This signal is fed to a drive and evaluation circuit 11.
  • Capacitor Cl thus forms a high-pass filter.
  • the voltage U ca i is varied over the desired voltage range and the capacitance value U c / u is detected.
  • the pressure is maintained at a constant reference value, for example the normal pressure.
  • the required calibration coefficients are determined in the drive circuit 11 and stored in a memory for later use.
  • a low-frequency test signal U ca i is fed in via the resistor Rl.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment in which the test signal is supplied by a digital circuit. This embodiment is particularly suitable for monolithic integration on the chip of the pressure sensor.
  • each side of a capacitive pressure sensor can optionally be connected to a reference potential, for example ground, or to an operating voltage V DD .
  • the output of the pressure sensor can via switch S5 to the input of an operational amplifier get connected.
  • the operational amplifier 10 in turn has a capacitance C2 in the negative feedback and forms a C / U converter for measuring the capacitance of the pressure sensor.
  • the output of the C / U converter is in turn connected to a drive circuit 11, which can occasionally control the switches Sl to S7.
  • the operating voltage V DD is applied as a delta-sigma data stream or via pulse width modulation via S3 and S4 to an electrode of the capacitive pressure sensor while S2 is closed and S1 is open.
  • the sensor element is connected to ground via S2 and S4 and thereby discharged.
  • the feedback capacitance C2 is discharged via S7 and S6.
  • Sl, S3 and S5 are open during this time. While the
  • Control voltage is applied to the pressure sensor to exert an electrostatic force on the sensor element, S5 remains open to preclude an action of the control voltage on the operational amplifier 10.

Abstract

The invention relates to a method for calibrating a pressure sensor comprising a movable diaphragm above a hollow space. In order to calibrate the pressure sensor, the diaphragm is deflected using an electrostatic force, and said deflection is measured. The invention further relates to a pressure sensor comprising a movable diaphragm that extends above a hollow space, at least one couple of electrodes to which an electric tension can be applied, said electric tension causing the diaphragm to be deflected, means for determining the deflection of the diaphragm, and a device for modulating the electric tension.

Description

Beschreibungdescription
Drucksensor und Verfahren zu dessen KalibrierungPressure sensor and method for its calibration
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors sowie einen Drucksensor, aufweisend eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum erstreckt, mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt und Mittel zur Bestimmung der Auslenkung der Membran. Solche Drucksensoren können zur Steuerung verschiedener Funktionen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, z.B. zur Motorsteuerung.The invention relates to a method for calibrating a pressure sensor and a pressure sensor, comprising a movable membrane, which extends over a cavity, at least one pair of electrodes, which can be acted upon by an electrical voltage, wherein the electrical voltage leads to a deflection of the membrane and means for Determination of the deflection of the membrane. Such pressure sensors can be used to control various functions in motor vehicles, e.g. for engine control.
Aus der EP 1 310 781 Al ist ein Drucksensor mit einer Membran und einem darunter liegenden Hohlraum bekannt. Der Abstand zwischen der Membran und dem darunter liegenden Trager- Substrat und damit die Hohe des Hohlraumes wird kapazitiv gemessen. Durch Druckbeaufschlagung der Membran verändert sich dieser Abstand. Somit kann aus der kapazitiven Abstands¬ messung auf den auf die Membran einwirkenden Druck geschlossen werden.From EP 1 310 781 A1, a pressure sensor with a membrane and an underlying cavity is known. The distance between the membrane and the underlying carrier substrate and thus the height of the cavity is measured capacitively. By pressurizing the membrane, this distance changes. Thus it can be concluded from the capacitive distance ¬ measurement on the pressure acting on the membrane pressure.
Aus diesem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, über eine kapazitive Anregung die Membran in eine Resonanzschwingung zu versetzen, wobei aus der Resonanzfrequenz und der Gute der Schwingung auf die Bewegungsfreiheit der Membran, deren Elastizitätsmodul oder deren Dicke geschlossen werden kann. Die Informationen über die Beweglichkeit der Membran und deren Struktur werden zur Qualitätssicherung des Drucksensors eingesetzt .From this state of the art is also known to put the membrane in a resonant vibration via a capacitive excitation, wherein from the resonant frequency and the good of the vibration on the freedom of movement of the membrane whose modulus of elasticity or thickness can be closed. The information about the mobility of the membrane and its structure are used for quality assurance of the pressure sensor.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, Druck¬ sensoren der eingangs genannten Art in Druckkammern unterschiedlichen Drucken auszusetzen und den Abstand zwischen der Membran und dem darunter liegenden Tragersubstrat zu messen. Aus diesen Messsignalen können Kalibπerkoefflzienten gewonnen werden, welche in einem im Drucksensor integrierten Speicher speicherbar sind. Im Betrieb des Drucksensors wird das Ausgangssignal mit diesen gespeicherten Kalibrier- koefflzienten beaufschlagt. Dadurch kann einem gemessenen Kapazitatswert unmittelbar ein Druckwert zugeordnet werden. Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit ist es bekannt, das Drucksensorkennfeld bei verschiedenen Temperaturen auf- zunehmen und im Betrieb des Drucksensors zusätzlich eine Temperaturkompensation des Ausgangssignals vorzunehmen.Furthermore, it is known from the prior art, pressure ¬ sensors of the type mentioned in pressure chambers to suspend different pressures and the distance between the Membrane and the underlying carrier substrate to measure. From these measurement signals Kalibπerkoefflzienten can be obtained, which can be stored in a memory integrated in the pressure sensor. During operation of the pressure sensor, the output signal is supplied with these stored calibration coefficients. As a result, a pressure value can be assigned directly to a measured capacitance value. To further improve the accuracy of measurement, it is known to record the pressure sensor map at different temperatures and to additionally carry out a temperature compensation of the output signal during operation of the pressure sensor.
Die Notwendigkeit der Kalibrierung ergibt sich dabei aus der Tatsache, dass verschiedene Parameter des Drucksensors, wie z.B. Membrandicke, Kavitatshohe und Kantenverlust bei derThe need for calibration results from the fact that different parameters of the pressure sensor, such as e.g. Membrane thickness, Kavitatshohe and edge loss in the
Herstellung des Drucksensors stark schwanken. Ebenso ist der Einfluss auf das Messergebnis dieser Parameter unterschiedlich .Production of the pressure sensor fluctuate greatly. Likewise, the influence on the measurement result of these parameters is different.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung von Drucksensoren zur Verfugung zu stellen, welches ohne auf¬ wandigen Einsatz einer Druckkammer auskommt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kalibrierverfahren und einen kalibrierbaren Drucksensor anzugeben, welcher wahrend der Anwendung des Drucksensors eine Selbst- kalibrierung ermöglicht und damit das Problem der Langzeitdrift lost.Based on this prior art, the invention has for its object to provide a method for calibrating pressure sensors at your disposal, which manages without on ¬ walligen use of a pressure chamber. Furthermore, the invention has for its object to provide a calibration method and a calibratable pressure sensor, which allows a self-calibration during the application of the pressure sensor and thus solves the problem of long-term drift.
Die Aufgabe wird erfindungsgemaß gelost durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors, welcher eine bewegliche Membran über einem Hohlraum aufweist, wobei zur Kalibrierung die Membran durch eine elektrostatische Kraft ausgelenkt und diese Auslenkung gemessen wird.The object is achieved according to the invention by a method for calibrating a pressure sensor, which has a movable membrane over a cavity, wherein for calibration, the membrane is deflected by an electrostatic force and this deflection is measured.
Weiterhin besteht die Losung der Aufgabe in einem Drucksensor, aufweisend eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum erstreckt, mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt, Mitteln zur Bestimmung der Auslenkung der Membran und eine Mehrzahl von Schaltelementen, um jede Einzelelektrode des Elektrodenpaares mit einem ersten elektrischen Potential oder einem zweiten elektrischen Potential zu verbinden.Furthermore, there is the solution of the problem in a pressure sensor, comprising a movable membrane, which over a cavity extends, at least one electrode pair, which is acted upon by an electrical voltage, wherein the electrical voltage leads to a deflection of the membrane, means for determining the deflection of the membrane and a plurality of switching elements to each individual electrode of the electrode pair with a first electrical potential or to connect to a second electrical potential.
Darüber hinaus besteht die Losung der Aufgabe in einemIn addition, there is the solution of the task in one
Drucksensor, aufweisend eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum erstreckt, mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt, einen Ladungsverstarker zur kapazitivenPressure sensor, comprising a movable membrane which extends over a cavity, at least one pair of electrodes, which is acted upon by an electrical voltage, wherein the electrical voltage leads to a deflection of the membrane, a charge amplifier for capacitive
Bestimmung der Auslenkung der Membran und einer Einrichtung zum Abbau der an die Membran angelegten elektrischen Spannung.Determining the deflection of the membrane and a device for reducing the voltage applied to the membrane electrical voltage.
Der Drucksensor im Sinne der vorliegenden Erfindung weist eine Membran als bewegliches Sensorelement auf, welches beispielsweise mikromechanisch oder feinwerktechnisch herstellbar ist und durch Einwirkung eines äußeren Gas- oder Flussigkeitsdruckes ausgelenkt wird. Das bewegliche Sensorelement weist eine Ruckstellkraft auf, welche das Sensorelement bei Abwesenheit einer äußeren Kraft in die Ruhelage bringt. Die Auslenkung kann entweder kapazitiv oder piezoresistiv gemessen werden.The pressure sensor in the sense of the present invention has a membrane as a movable sensor element, which can be produced, for example, micromechanically or by precision engineering and is deflected by the action of an external gas or liquid pressure. The movable sensor element has a restoring force, which brings the sensor element in the absence of an external force in the rest position. The deflection can be measured either capacitively or piezoresistively.
Erfmdungsgemaß wurde erkannt, dass zur Kalibrierung eines solchen Drucksensors nicht notwendigerweise eine durch eine Druckdifferenz hervorgerufene Kraft auf die Membran des Drucksensors einwirken muss. Im Gegensatz dazu wird erfmdungsgemaß vorgeschlagen, dass die Kalibrierung auch durch eine elektrostatische Kraft erfolgen kann, welche nach Betrag und Richtung mit der durch Druckbeaufschlagung erzeugten Kraft identisch ist. Durch Variieren der elektrostatisch erzeugten Kraft lasst sich damit ebenso wie in einer Druckkammer das Ausgangssignal eines Drucksensors als Antwort auf unterschiedliche Messgroßen bestimmen. Aus dieser so bestimmten Antwortfunktion können Kalibπer- koefflzienten gewonnen und gespeichert werden, beispielsweise in einem im Drucksensor integrierten Speicher oder in einem mit dem Drucksensor verbundenen Steuergerat.Erfmdungsgemaß has been recognized that for the calibration of such a pressure sensor does not necessarily have to act caused by a pressure difference force on the membrane of the pressure sensor. In contrast, erfmdungsgemaß proposed that the calibration can also be done by an electrostatic force, which is identical in magnitude and direction with the force generated by pressurization. By varying the electrostatically generated force can be as well as in a pressure chamber determine the output signal of a pressure sensor in response to different measures. From this determined response function Kalibπer- koefflzienten can be obtained and stored, for example, in a memory integrated in the pressure sensor or in a connected to the pressure sensor control unit.
Zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft auf die Membran ist diese erfmdungsgemaß mit mindestens einer Elektrode ausgestattet, welche mit einer Wechselspannungsquelle verbindbar ist. Der zweite Anschluss der Wechselspannungsquelle wird mit einer Gegenelektrode unterhalb der Membran verbunden. Dies eröffnet weiterhin die Möglichkeit, die Kalibrierung jederzeit nicht nur im Herstellwerk, sondern auch durch den Benutzer fortlaufend im Betrieb oder zu vorgebbaren Zeiten durchzufuhren.To generate an electrostatic force on the membrane, this is erfmdungsgemaß equipped with at least one electrode which is connectable to an AC voltage source. The second terminal of the AC voltage source is connected to a counter electrode below the membrane. This opens up the possibility of performing the calibration at any time not only in the factory, but also by the user continuously during operation or at predeterminable times.
Das erfmdungsgemaße Verfahren beruht auf der Tatsache, dass die Membran mit der darunterliegenden Kavitat und der Gegenelektrode einen Plattenkondensator darstellt. Die Kapazität dieses Kondensators ist durch die Flache der Membran und der darunter liegenden Gegenelektrode und deren Abstand bestimmt. Die elektrostatische Kraft bei Anlegen einer Spannung ist vom Betrag der elektrischen Spannung und dem Abstand zwischen der Membran und der darunter liegenden Gegenelektrode abhangig. Da dieser Abstand bei der Herstellung einer Vielzahl von Sensoren größere Abweichungen bis 10 % aufweisen kann, muss er vor der Kalibrierung durch Messung bestimmt werden. Nachdem der Abstand bestimmt ist, kann durch Anlegen einer definierten Spannung eine definierte Kraft auf die Membran ausgeübt werden. Diese dient dann der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Membran, wie Dicke und mechanische Spannung, welche das Ausgangssignal des Druck- sensors maßgeblich beeinflussen. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird die Hohe der Kavitat, also der Abstand der Membran und der darunter liegenden Gegenelektrode, durch eine Messung der Grundkapazitat ermittelt, ohne dass eine Kraft auf die Membran einwirkt. Im Sinne dieser Erfindung wird dabei eine Membran als frei von äußeren Kräften bezeichnet, wenn keine elektrostatische Kraft auf die Membran einwirkt und bevorzugt auch keine Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Membran auftritt. Im Falle eines Differenzdrucksensors können dazu beide Seiten mit einem identischen Referenzdruck verbunden werden, beispielsweise dem Umgebungsdruck. Im Falle eines Drucksensors für hohe Drucke kann der Einfluss des normalen Umgebungsdruckes so niedrig sein, dass die Membran unter normalen Umgebungsbedingungen als kraftfrei im Sinne der Erfindung angesehen werden kann.The erfmdungsgemaße method is based on the fact that the membrane with the underlying cavity and the counter electrode is a plate capacitor. The capacitance of this capacitor is determined by the area of the membrane and the underlying counter electrode and their spacing. The electrostatic force upon application of a voltage depends on the magnitude of the electrical voltage and the distance between the membrane and the underlying counter electrode. Since this distance can be greater than 10% in the manufacture of a variety of sensors, it must be determined by measurement before calibration. After the distance is determined, a defined force can be exerted on the membrane by applying a defined voltage. This then serves to determine the mechanical properties of the membrane, such as thickness and mechanical stress, which significantly influence the output signal of the pressure sensor. In a preferred embodiment of the invention, the height of the cavity, ie the distance between the membrane and the underlying counter electrode, determined by measuring the Grundkapazitat without a force acting on the membrane. For the purposes of this invention, a membrane is referred to as being free from external forces when no electrostatic force acts on the membrane and preferably also no pressure difference occurs between the two sides of the membrane. In the case of a differential pressure sensor, both sides can be connected to an identical reference pressure, for example the ambient pressure. In the case of a high pressure sensor, the influence of the normal ambient pressure may be so low that under normal environmental conditions the membrane can be considered as free of force for the purposes of the invention.
Die vorgesehene Bestimmung der Hohe der Kavitat beruht auf der Tatsache, dass die Kapazität des Sensors durch die Flache der Membran und der darunter liegenden Gegenelektrode und deren Abstand bestimmt ist. Da die Flache der Membran bei der Herstellung des Drucksensors mit hoher Genauigkeit reproduzierbar ist, kann eine Messung dieser Flache unter¬ bleiben. Beispielsweise betragt der schwankende Kantenverlust bei der Herstellung der Membran lediglich etwa 1/10 μm. Bei einem Durchmesser der Membran von 1 mm ± 2/10 μm ergibt sich daraus eine Genauigkeit der Membranflache von etwa 0,02 %. Damit kann eine schwankende Grundkapazitat überwiegend dem Einfluss einer schwankenden Hohe der Kavitat zugeschrieben werden und die Hohe der Kavitat wird aus der gemessenen Kapazität mit hoher Genauigkeit bestimmbar.The intended determination of the height of the cavity is based on the fact that the capacitance of the sensor is determined by the area of the membrane and the underlying counterelectrode and their spacing. Since the surface of the membrane in the production of the pressure sensor with high accuracy is reproducible, a measurement of this area can remain ¬ . For example, the fluctuating edge loss in the production of the membrane is only about 1/10 μm. With a diameter of the membrane of 1 mm ± 2/10 microns, this results in an accuracy of the membrane surface of about 0.02%. Thus, a fluctuating basic capacity can be attributed mainly to the influence of a fluctuating height of Kavitat and the height of the Kavitat can be determined from the measured capacity with high accuracy.
Im Betrieb des Drucksensors erfolgt die Messung der Verformung der Membran entweder kapazitiv über die Hohe der Membran oder durch piezoresistive Elemente, welche schersteif mit der Membran verbunden sind und bei Verformung der Membran eine Verformung erfahren, welche zu einer Widerstandsanderung fuhrt. In einer Weiterbildung der Erfindung wird die elektrostatische Kraft durch eine Wechselspannung erzeugt, insbesondere durch eine Wechselspannung deren Frequenz unterhalb der mechanischen Grenzfrequenz der Membran und oberhalb der Bandbreite des Ausgangssignals des Drucksensors gewählt ist.During operation of the pressure sensor, the measurement of the deformation of the membrane takes place either capacitively over the height of the membrane or by piezoresistive elements which are shear-stiffly connected to the membrane and undergo a deformation upon deformation of the membrane, which leads to a change in resistance. In one embodiment of the invention, the electrostatic force is generated by an alternating voltage, in particular by an alternating voltage whose frequency is selected below the mechanical limit frequency of the membrane and above the bandwidth of the output signal of the pressure sensor.
Dadurch ist die Frequenz in einem Bereich der mechanischen Ubertragungsfunktion gewählt, in welcher deren Abfall im Vergleich zur statischen Auslenkung noch vernachlassigbar klein ist. Da sich bei einer Wechselspannung der Betrag der Spannung und damit die auf die Membran ausgeübte elektrostatische Kraft fortlaufend ändert, wird der gesamte Messbereich kontinuierlich durchfahren.As a result, the frequency is selected in a range of the mechanical transmission function, in which the drop is still negligible compared to the static deflection. Since the amount of voltage and thus the electrostatic force exerted on the membrane continuously changes with an alternating voltage, the entire measuring range is continuously passed through.
In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird die elektrostatische Kraft zur Kalibrierung des Sensorelementes durch eine elektrische Wechselspannung mit konstanter Frequenz erzeugt. Durch die konstante Frequenz, kann eine besonders einfache Trennung des Kalibriersignals vom Messsignal erfolgen, beispielsweise durch einen schmalbandigen Bandpassfilter .In one embodiment of the invention, the electrostatic force for calibrating the sensor element is generated by an electrical alternating voltage with a constant frequency. Due to the constant frequency, a particularly simple separation of the calibration signal from the measurement signal can take place, for example by means of a narrow-band bandpass filter.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die elektro- statische Kraft auch durch eine elektrische Gleichspannung erzeugt werden, welche quasidigital per Pulsweitenmodulation oder als Delta-Sigma-Datenstrom moduliert wird. Unter einer quasidigitalen Modulation soll dabei ein Signal verstanden werden, welche eine digitale Amplitude und ein analoges Zeitverhalten aufweist. Dieses Signal erzeugt zusammen mit der filternden Ubertragungsfunktion des Sensorelementes eine Kraft. Diese wiederum ist digital einstellbar. Das Sensorelement ist somit Bestandteil eines elektromechanischen Digital-Analog-Wandlers .In one development of the invention, the electrostatic force can also be generated by a DC electrical voltage, which is modulated quasi-digitally by pulse width modulation or as a delta-sigma data stream. A quasi-digital modulation is to be understood as meaning a signal which has a digital amplitude and an analog time behavior. This signal, together with the filtering transmission function of the sensor element, generates a force. This in turn is digitally adjustable. The sensor element is thus part of an electromechanical digital-to-analog converter.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Drucksensor weiterhin eine Einrichtung auf, um das Ausgangssignal des Drucksensors in einen von der Messgroße abhangigen Teil und einen von der elektrostatischen Kraft abhangigen Teil aufzuteilen. Eine solche Aufspaltung des Drucksensorsignals erlaubt die fortlaufende Bestimmung eines Druckes wahrend mit dem erfmdungsgemaßen Kalibrierverfahren die Empfindlichkeit des Drucksensors überprüft werden kann. Bevorzugt wird dabei das Ausgangssignal des Drucksensors durch einen Tiefpass von denjenigen Anteilen befreit wird, welche durch die elektrostatische Kraft hervorgerufen werden. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass das Ausgangssignal des Drucksensors durch einen Hochpass von denjenigen Anteilen befreit wird, welche durch die Druckdifferenz beiderseits der Membran hervorgerufen werden. Beide Signalanteile können dann in separaten Schaltungsteilen weiter verarbeitet werden.In a further development of the invention, the pressure sensor further comprises a device for detecting the output signal of the Divide pressure sensor into a dependent of the measured size part and a dependent on the electrostatic force part. Such a splitting of the pressure sensor signal allows the continuous determination of a pressure while the sensitivity of the pressure sensor can be checked with the calibration method according to the invention. Preferably, the output signal of the pressure sensor is freed by a low-pass from those portions which are caused by the electrostatic force. Furthermore, it can be provided that the output signal of the pressure sensor is released by a high pass from those portions which are caused by the pressure difference on both sides of the membrane. Both signal components can then be further processed in separate circuit parts.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausfuhrungs- beispielen und Figuren ohne Beschrankung des allgemeinen Erfindungsgedankens naher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments and figures without limitation of the general inventive concept.
Figur 1 zeigt einen oberflachenmikromechanischen Drucksensor gemäß dem Stand der Technik.Figure 1 shows a surface micromechanical pressure sensor according to the prior art.
Figur 2 zeigt den oberflachenmikromechanischen Drucksensor nach Figur 1 mit zusatzlichen Elektroden.FIG. 2 shows the surface micromechanical pressure sensor according to FIG. 1 with additional electrodes.
Figur 3 zeigt einen oberflachenmikromechanischen Drucksensor mit piezoresistiven Messeinrichtungen zur Druckmessung und der Möglichkeit zur erfmdungsgemaßen Kalibrierung.FIG. 3 shows a surface micromechanical pressure sensor with piezoresistive measuring devices for pressure measurement and the possibility of calibration according to the invention.
Figur 4 zeigt einen oberflachenmikromechanischen Drucksensor mit piezoresistiven Messeinrichtungen bei der erfmdungsgemaßen Kalibrierung auf einem Chuck.Figure 4 shows a surface micromechanical pressure sensor with piezoresistive measuring devices in the erfmdungsgemaßen calibration on a chuck.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Systemmodells für einen Selbsttest eines Drucksensors und Figur 6 zeigt eine mögliche Realisierung des Selbsttestes in analoger zeitkontmuierlicher Schaltungstechnik .Figure 5 shows a block diagram of a system model for a self-test of a pressure sensor and FIG. 6 shows a possible realization of the self-test in analogue time-contingent circuit technology.
Figur 7 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfmdungsgemaßen Kalibriervorrichtung mit quasidigitaler Generierung des Testsignals .Figure 7 shows an exemplary embodiment of a erfmdungsgemaßen calibration device with quasi-digital generation of the test signal.
Figur 1 zeigt einen oberflachenmikromechamschen Drucksensor. Dieser ist auf einem Substrat 1 aufgebaut. Üblicherweise handelt es sich hierbei um ein Siliziumsubstrat . Auf dem Siliziumsubstrat wird durch mehrere aufeinanderfolgende Maskierungs- und Atzschritte eine Membran 2 mit einem darunter liegenden Hohlraum ausgebildet. Die Membran 2 weist die Dicke d und den Durchmesser oder die Kantenlange D auf. Sie ist entweder selbst elektrisch leitfahig oder weist an zumindest einer Oberflache eine leitfahige Beschichtung auf. Diese leitfahige Beschichtung wird über Leiterbahnen mit einer Messelektronik verbunden. Innerhalb des Hohlraums und damit der Membran 2 gegenüberliegend ist eine weitere Elektrode 3 ausgebildet, beispielsweise durch Implantation oder Abscheidung einer leitfahigen Beschichtung, beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung. Auch diese Elektrode 3 ist durch Leiterbahnen kontaktiert und mit einer Auswerteschaltung verbindbar. Die Auswerteschaltung kann auch auf dem Siliziumsubstrat 1 monolithisch integriert ausgeführt sein.FIG. 1 shows a surface micromechham pressure sensor. This is constructed on a substrate 1. This is usually a silicon substrate. A membrane 2 with an underlying cavity is formed on the silicon substrate by a plurality of successive masking and etching steps. The membrane 2 has the thickness d and the diameter or the edge length D. It is either electrically conductive on its own or has a conductive coating on at least one surface. This conductive coating is connected via conductor tracks with a measuring electronics. Within the cavity and thus the membrane 2 opposite another electrode 3 is formed, for example by implantation or deposition of a conductive coating, for example of a metal or an alloy. Also, this electrode 3 is contacted by interconnects and connectable to an evaluation circuit. The evaluation circuit can also be designed monolithically integrated on the silicon substrate 1.
Bei Einwirken eines Druckes auf die Membran 2 wird diese elastisch verformt. Dementsprechend wird die Hohe des Hohlraumes unterhalb der Membran vergrößert oder verkleinert.Upon application of a pressure on the membrane 2, this is elastically deformed. Accordingly, the height of the cavity below the membrane is increased or decreased.
Die Membran 2 bzw. deren leitfahige Beschichtung bildet zusammen mit der Elektrode 3 einen Plattenkondensator. Dessen Kapazität hangt von der konstant bleibenden Flache der Membran 2 und deren Abstand von der Gegenelektrode 3 ab.The membrane 2 or its conductive coating together with the electrode 3 forms a plate capacitor. Its capacity depends on the constant area of the membrane 2 and their distance from the counter electrode 3 from.
Durch Messen der Kapazität zwischen den Elektroden 3 und 2 kann somit der Abstand der Elektroden und nach Kalibrierung der herrschende Druck gemessen werden.By measuring the capacitance between the electrodes 3 and 2 Thus, the distance between the electrodes and after calibration of the prevailing pressure can be measured.
Figur 2 zeigt den Drucksensor nach Figur 1 mit weiteren Bauteilen. Dieser Drucksensor weist weiterhin Zusatz¬ elektroden 4 auf. An die Zusatzelektroden 4 kann eine elektrische Spannung angelegt werden, welche eine elektrostatische Kraft zwischen Membran 2 und Gegenelektrode 3 erzeugt. Zur Ausfuhrung des erflndungsgemaßen Kalibrier- Verfahrens wird dabei die angelegte elektrische Spannung so gewählt, dass in der Membran 2 dieselbe mechanische Spannung induziert wird wie bei Anlegen eines vorgebbaren Druckes. Somit kann über die kapazitive Abstandsmessung für eine vorgebbare elektrische Spannung eine Kapazität bestimmt werden, welche auch bei anliegen des entsprechenden Druckes messbar ist.FIG. 2 shows the pressure sensor according to FIG. 1 with further components. This pressure sensor further comprises additional electrodes 4. To the additional electrodes 4, an electrical voltage can be applied, which generates an electrostatic force between the membrane 2 and the counter electrode 3. In order to carry out the calibration method according to the invention, the applied electrical voltage is selected such that the same mechanical stress is induced in the membrane 2 as when a predefinable pressure is applied. Thus, a capacitance can be determined via the capacitive distance measurement for a predefinable electrical voltage, which capacitance can be measured even when the corresponding pressure is present.
Durch Änderung des Betrages der an Elektroden 3 und 4 angelegten elektrischen Spannung wird die elektrostatische Kraft variiert. Diese Variation der Kraft entspricht bei Betrieb des Drucksensors einer Variation des an Membran 2 anliegenden Druckes. Durch Messung der Kapazität bei verschiedenen zwischen Elektrode 3 und 4 anliegenden elektrischen Spannungen kann somit eine Kalibrierkurve aufgenommen werden, mittels welcher ein gemessenerBy changing the amount of voltage applied to electrodes 3 and 4, the electrostatic force is varied. During operation of the pressure sensor, this variation of the force corresponds to a variation of the pressure applied to diaphragm 2. By measuring the capacitance at different electrical voltages applied between electrodes 3 and 4, a calibration curve can thus be recorded, by means of which a measured
Kapazitatswert unmittelbar einer mechanischen Spannung der Membran 2 und damit einem herrschenden Druck zugeordnet werden kann. Die Koeffizienten der Kalibrierkurve werden schließlich in einem in Figur 2 nicht dargestellten Speicher des Drucksensors abgelegt und stehen für den weiteren Betrieb zur Verfugung.Capacitance value directly a mechanical tension of the diaphragm 2 and thus can be assigned to a prevailing pressure. The coefficients of the calibration curve are finally stored in a memory, not shown in Figure 2 of the pressure sensor and are available for further operation at your disposal.
Figur 3 zeigt einen piezoresistiven Drucksensor. Dieser weist ebenfalls eine Membran 2 auf, welche sich über eine Kavitat erstreckt und bei Anliegen einer Druckdifferenz zwischen dem Hohlraum und dem Außenraum tritt eine Verformung der Membran 2 ein. Mit der Membran ist mindestens ein piezoresistives Element 5 schersteif verbunden, so dass das Element 5 bei Verformung der Membran ebenfalls verformt wird. Diese Verformung fuhrt zu einer messbaren Änderung des elektrischen Widerstands des piezoelektrischen Elementes 5.FIG. 3 shows a piezoresistive pressure sensor. This also has a membrane 2, which extends over a Kavitat and upon application of a pressure difference between the cavity and the outer space enters a deformation of the membrane 2 a. With the membrane is at least one piezoresistive Element 5 shear stiff connected, so that the element 5 is also deformed upon deformation of the membrane. This deformation leads to a measurable change in the electrical resistance of the piezoelectric element 5.
Um den piezoelektrischen Drucksensor 5 nach dem erfmdungs- gemaßen Verfahren ohne Anlegen einer Druckdifferenz kalibrieren zu können, befindet sich im Hohlraum unterhalb der Membran 2 eine Gegenelektrode 6. Im Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 3 wird diese Gegenelektrode 6 durch einen leit- fahig dotierten Wafer gebildet, welcher mittels einer dazwischen liegenden Oxidschicht 7 auf das Tragersubstrat 1 gebondet wird. Die Oxidschicht 7 dient gleichzeitig der Isolation, falls die Membran 12 bei hoher Verformung auf der Elektrode 6 anschlagt. Die Spannung zur Erzeugung der elektrostatischen Kraft wird zwischen der Elektrode 6 und der ebenfalls leitfahigen Membran 2 angelegt. Diese elektro¬ statisch induzierte Verformung wirkt in gleicher Weise wie ein bei Betrieb des Drucksensors anliegender Druck. Somit kann die Kalibrierung ohne Druckkammer durchgeführt werden. Durch die permanent mit dem Substrat 1 verbundene Gegenelektrode 6 ist auch eine Nachkalibrierung des Bauelementes beim Kunden oder gegebenenfalls im Betrieb möglich.To be able to calibrate the piezoelectric pressure sensor 5 according to the erfmdungsgemaßen method without applying a pressure difference, located in the cavity below the membrane 2, a counter electrode 6. In the embodiment of Figure 3, this counter electrode 6 is formed by a conductive doped wafer, which is bonded to the carrier substrate 1 by means of an intermediate oxide layer 7. At the same time, the oxide layer 7 serves for insulation if the membrane 12 strikes the electrode 6 at high deformation. The voltage for generating the electrostatic force is applied between the electrode 6 and the likewise conductive membrane 2. This electro ¬ statically induced deformation acts in the same way as an applied during operation of the pressure sensor pressure. Thus, the calibration can be performed without a pressure chamber. By permanently connected to the substrate 1 counter electrode 6 and a recalibration of the device at the customer or possibly in operation is possible.
Selbstverständlich kann die Elektrode 6 auch aus einem anderen leitfahigen Material bestehen, beispielsweise einem Metall oder einer Legierung.Of course, the electrode 6 may also consist of another conductive material, for example a metal or an alloy.
Der Isolator 7 kann in einer weiteren Ausfuhrungsform auch durch ein Polymer oder ein Sealglass gebildet werden. Er kann im Bereich des Hohlraumes eine Aussparung aufweisen.The insulator 7 can also be formed by a polymer or a seal glass in a further embodiment. He may have a recess in the region of the cavity.
Figur 4 zeigt einen ähnlichen Drucksensor zu Figur 3 ohne die dort verwendete Gegenelektrode 6. Bei Betrieb des Drucksensors bildet die Isolation 7 einen gasdichten Abschluss des Hohlraumes unter der Membran 2. Alternativ kann das Substrat 1 mit der Membran 2 und den piezoresistiven Elementen 5 auch in einem Differenzdrucksensor verwendet werden, bei welchem über ein nicht dargestelltes Gehäuse beide Seiten der Membran 2 mit unterschiedlichen Drucken beaufschlagt werden.FIG. 4 shows a similar pressure sensor to FIG. 3 without the counterelectrode 6 used there. During operation of the pressure sensor, the insulation 7 forms a gastight seal of the hollow space under the membrane 2. Alternatively, the substrate 1 with the membrane 2 and the piezoresistive elements 5 can also be arranged in a differential pressure sensor can be used in which an unillustrated housing both sides of the membrane 2 are subjected to different pressures.
Die zur elektrostatischen Kalibrierung notwendige Gegen- elektrode wird durch den Chuck 8 eines Wafertesters gebildet. Somit ist eine elektrostatische Kalibrierung gemäß der vorliegenden Erfindung oder ein Funktionstest der Drucksensoren 5 sofort im Herstellerwerk möglich.The counterelectrode necessary for the electrostatic calibration is formed by the chuck 8 of a wafer tester. Thus, an electrostatic calibration according to the present invention or a functional test of the pressure sensors 5 immediately possible in the factory.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines erfmdungsgemaßen Systemmodells zum Selbsttest eines Drucksensors. Aus dem Ergebnis des Kalibπerverfahrens erhalt man eine Abgleichkurve, aus welcher die Koeffizienten für den Sensorabgleich gewonnen werden. Nach Anwendung dieser Koeffizienten in der Kalibriervorπchtung weist dasFigure 5 shows a block diagram of a erfmdungsgemaßen system model for self-test of a pressure sensor. From the result of the calibration procedure one obtains an adjustment curve, from which the coefficients for the sensor adjustment are obtained. After applying these coefficients in the Kalibriervorπchtung has the
Ausgangssignal einen linearen Verlauf mit definierter Druckempfmdlichkeit auf.Output signal a linear course with defined pressure sensitivity.
Zur laufenden Überprüfung der Druckempfmdlichkeit des Drucksensors im Betrieb wird mittels einer Wechselspannungsquelle 9 eine elektrostatische Kraft auf die Membran des Drucksensors aufgebracht. Zusätzlich kann auf diese Membran eine Messgroße einwirken, beispielsweise ein Luftdruck. Die Membran wird durch beide Kräfte ausgelenkt, so dass die Messschaltung des Sensorelementes ein Signal detektiert, welches die Summe aus der elektrostatischen Kraft und der Kraft des Luftdrucks repräsentiert. Diese Summe wird über eine Kalibπervorπchtung mit den gespeicherten Kalibπer- koefflzienten in ein kalibriertes Signal umgerechnet. Dieses kalibrierte Summensignal besteht nun ebenfalls aus dem zu messenden Luftdruck und der elektrostatischen Kraft.For continuous checking of the pressure sensitivity of the pressure sensor during operation, an electrostatic force is applied to the membrane of the pressure sensor by means of an AC voltage source 9. In addition, a measured variable, for example an air pressure, can act on this membrane. The membrane is deflected by both forces, so that the measuring circuit of the sensor element detects a signal representing the sum of the electrostatic force and the force of the air pressure. This sum is converted into a calibrated signal by means of a calibration device with the stored calibration coefficients. This calibrated sum signal now also consists of the measured air pressure and the electrostatic force.
Zur Trennung der beiden Komponenten des Summensignals ist im Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 5 vorgeschlagen, einen Hoch- pass und einen Tiefpassfilter einzusetzen. Im Ausfuhrungs¬ beispiel nach Figur 5 ändert sich der Luftdruck nur langsam. Daher wird dieser Signalanteil durch einen Tiefpass vom Summensignal getrennt. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses liegt dabei unterhalb der Frequenz der von der Quelle 9 erzeugten Wechselspannung. Dadurch kann dieser Anteil des Signals den Tiefpass nicht passieren und am Ausgang des Tiefpassfilters kann der herrschende Luftdruck trotz des laufenden Selbst¬ tests des Drucksensors abgelesen werden.In order to separate the two components of the sum signal, it is proposed in the exemplary embodiment according to FIG. 5 to use a high-pass filter and a low-pass filter. In Ausfuhrungs ¬ example of Figure 5, the air pressure changes only slowly. Therefore, this signal component is replaced by a lowpass of Sum signal separated. The cutoff frequency of the low-pass filter is below the frequency of the alternating voltage generated by the source 9. A result, this portion of the signal can not pass through the low pass at the output of the low pass filter of the prevailing air pressure can be read in spite of the current self ¬ tests of the pressure sensor.
Im zweiten Signalzweig ist ein Hochpassfilter angeordnet. Die Grenzfrequenz dieses Hochpassfilters liegt oberhalb der Anderungsfrequenz des Messsignals jedoch unterhalb derIn the second signal branch, a high-pass filter is arranged. However, the cutoff frequency of this high pass filter is above the change frequency of the measurement signal below the
Frequenz der von Quelle 9 erzeugten Wechselspannung. Somit kann der durch den Luftdruck beeinflusste Anteil des Summensignals das Hochpassfilter nicht passieren. Am Ausgang des Hochpassfilters steht nur der durch die elektrostatische Kraft verursachte Anteil des Summensignals zur Verfugung. Durch Multiplikation dieses Signals mit dem die elektrostatische Kraft erzeugenden Wechselspannungssignal und nachfolgende Tiefpassfilterung wird dieser Anteil des Drucksensorsignals demoduliert. Am Ausgang dieses zweiten Tiefpassfilters steht die elektrostatisch angeregte Membranamplitude zur Verfugung.Frequency of the AC voltage generated by source 9. Thus, the proportion of the sum signal influenced by the air pressure can not pass the high-pass filter. At the output of the high-pass filter, only the proportion of the sum signal caused by the electrostatic force is available. By multiplying this signal by the electrostatic force generating AC signal and subsequent low pass filtering, this portion of the pressure sensor signal is demodulated. At the output of this second low-pass filter, the electrostatically excited membrane amplitude is available.
Im nachfolgenden, nicht dargestellten Schaltungstellen wird die Antwort des Drucksensors auf die elektrostatische Kraft mit einem Sollwert verglichen. Ein Abweichen vom Sollwert deutet auf einen Defekt des Drucksensors hin. Em solcher Defekt kann beispielsweise eine Verschmutzung, eine Vereisung oder ein Bruch der Membran 2 sein. Ein erkannter Fehler kann entweder an den Benutzer ausgegeben werden oder eine automatisierte Neukalibrierung auslosen.In the following, not shown circuit locations, the response of the pressure sensor is compared to the electrostatic force with a desired value. Deviation from the target value indicates a defect in the pressure sensor. Such a defect can be, for example, soiling, icing or breakage of the membrane 2. A detected error can either be issued to the user or trigger an automated recalibration.
Figur 6 zeigt eine Ausfuhrungsform einer Schaltung zur Kalibrierung in Analogelektronik. Zur Messung der Kapazität eines kapazitiven Drucksensors dient ein hochfrequentes Tragersignal aus einer Wechselspannungsquelle 9. Dieses Tragersignal wird über den kapazitiven Drucksensor einer Auswerteschaltung mit einem Operationsverstärker 10 zugeführt. Der Operationsverstärker 10, R2 und C2 bilden zusammen einen Kapazitats-Spannungs-Wandler (C/U-Wandler) .FIG. 6 shows an embodiment of a circuit for calibration in analogue electronics. To measure the capacitance of a capacitive pressure sensor, a high-frequency carrier signal from an AC voltage source 9 is used. This carrier signal is transmitted via the capacitive pressure sensor to an evaluation circuit with an operational amplifier 10 fed. The operational amplifier 10, R2 and C2 together form a capacitance-voltage converter (C / U converter).
Somit ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 nach Demodulation ein Maß für die Kapazität des Drucksensors und somit für die Messgroße. Dieses Signal wird einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 11 zugeführt.Thus, the output voltage of the operational amplifier 10 after demodulation is a measure of the capacitance of the pressure sensor and thus the measured size. This signal is fed to a drive and evaluation circuit 11.
Um den Drucksensor zu kalibrieren oder im laufenden Betrieb zu überwachen, wird über den Widerstand Rl eine Spannung an den Drucksensor angelegt, welche eine elektrostatische Kraft auf diesen Drucksensor ausübt. Damit diese Spannung den Operationsverstärker 10 nicht beeinflusst, wird diese über den Kondensator Cl entkoppelt. Kondensator Cl bildet somit einen Hochpassfilter.To calibrate or monitor the pressure sensor during operation, a voltage is applied across the resistor Rl to the pressure sensor, which exerts an electrostatic force on this pressure sensor. So that this voltage does not affect the operational amplifier 10, it is decoupled via the capacitor Cl. Capacitor Cl thus forms a high-pass filter.
Für den Kalibπervorgang wird die Spannung Ucai über den gewünschten Spannungsbereich variiert und der Kapazitatswert Uc/u erfasst. Hierbei wird der Druck auf einem konstanten Referenzwert, beispielsweise dem Normaldruck gehalten. Aus der aufgenommenen Kennlinie werden in der Ansteuerschaltung 11 die erforderlichen Kalibπerkoefflzienten ermittelt und in einem Speicher zur spateren Verwendung abgelegt. Für den in Figur 5 beschriebenen Selbsttest des Drucksensors wird über den Widerstand Rl ein niederfequentes Testsignal Ucai eingespeist .For the calibration process, the voltage U ca i is varied over the desired voltage range and the capacitance value U c / u is detected. In this case, the pressure is maintained at a constant reference value, for example the normal pressure. From the recorded characteristic, the required calibration coefficients are determined in the drive circuit 11 and stored in a memory for later use. For the self-test of the pressure sensor described in FIG. 5, a low-frequency test signal U ca i is fed in via the resistor Rl.
Figur 7 zeigt eine alternative Ausfuhrungsform, bei welcher das Testsignal durch eine digitale Schaltung zugeführt wird. Diese Ausfuhrungsform eignet sich insbesondere zur monolythischen Integration auf dem Chip des Drucksensors.FIG. 7 shows an alternative embodiment in which the test signal is supplied by a digital circuit. This embodiment is particularly suitable for monolithic integration on the chip of the pressure sensor.
Mittels der Schalter Sl, S2, S3 und S4 kann jede Seite eines kapazitiven Drucksensors wahlweise mit einem Referenz- potential, beispielsweise Masse, oder einer Betriebspannung VDD verbunden werden. Der Ausgang des Drucksensors kann über Schalter S5 mit dem Eingang eines Operationsverstärkers verbunden werden. Der Operationsverstärker 10 weist wiederum eine Kapazität C2 in der Gegenkopplung auf und bildet einen C/U-Wandler zur Messung der Kapazität des Drucksensors. Der Ausgang des C/U-Wandlers ist wiederum mit einer Ansteuer- Schaltung 11 verbunden, welche fallweise auch die Schalter Sl bis S7 steuern kann.By means of the switches S1, S2, S3 and S4, each side of a capacitive pressure sensor can optionally be connected to a reference potential, for example ground, or to an operating voltage V DD . The output of the pressure sensor can via switch S5 to the input of an operational amplifier get connected. The operational amplifier 10 in turn has a capacitance C2 in the negative feedback and forms a C / U converter for measuring the capacitance of the pressure sensor. The output of the C / U converter is in turn connected to a drive circuit 11, which can occasionally control the switches Sl to S7.
Zum Erzeugen einer mittleren Kraft wird die Betriebspannung VDD als Delta-Sigma-Datenstrom oder durch Pulsweiten- modulierung über S3 und S4 an eine Elektrode des kapazitiven Drucksensors angelegt wahrend S2 geschlossen und Sl geöffnet ist. Zur Messung der Kapazität wird das Sensorelement über S2 und S4 mit Masse verbunden und dadurch entladen. Ebenso wird die Ruckkoppelkapazitat C2 über S7 und S6 entladen. Sl, S3 und S5 sind wahrend dieser Zeit geöffnet. Wahrend dieTo generate an average force, the operating voltage V DD is applied as a delta-sigma data stream or via pulse width modulation via S3 and S4 to an electrode of the capacitive pressure sensor while S2 is closed and S1 is open. To measure the capacitance, the sensor element is connected to ground via S2 and S4 and thereby discharged. Likewise, the feedback capacitance C2 is discharged via S7 and S6. Sl, S3 and S5 are open during this time. While the
Steuerspannung an den Drucksensor angelegt wird, um eine elektrostatische Kraft auf das Sensorelement auszuüben, bleibt S5 geöffnet, um eine Einwirkung der Steuerspannung auf den Operationsverstärker 10 auszuschließen.Control voltage is applied to the pressure sensor to exert an electrostatic force on the sensor element, S5 remains open to preclude an action of the control voltage on the operational amplifier 10.
Zu Beginn des Messvorganges wird S5 geschlossen. Anschließend gibt S7 die Ruckkoppelkapazitat und S4 die Sensorkapazitat frei. Sl und S2 wechseln ihren Schaltzustand, sodass ein Spannungssprung an der Sensorkapazitat entsteht. Nach dem Einschwingvorgang liegt das Ergebnis der C/U-Wandlung am Ausgang des Operationsverstärkers an.At the beginning of the measuring process S5 is closed. Then S7 releases the feedback capacitance and S4 the sensor capacitance. Sl and S2 change their switching state so that a voltage jump occurs at the sensor capacitance. After the transient process, the result of the C / U conversion is applied to the output of the operational amplifier.
Durch mehrfache Ausfuhrung dieser Schaltvorgange ist es mit wenig Aufwand möglich, die U/C-Kennlinie des Sensorelementes aufzunehmen und daraus die Kalibπerkoefflzienten zu ermitteln. Diese werden wiederum in Schaltung 11 gespeichert und im Betrieb des Drucksensors auf das Messsignal angewendet. Für einen Selbsttest wahrend des Betriebes formt der Delta-Sigma-Datenstrom wiederum ein niederfrequentes Testsignal, welches dem Drucksensor zugeführt wird. Wie bereits in Figur 5 beschrieben, wird das Drucksensorsignal dann mittels dem an Steuerschaltung 11 in einen durch die Messgröße beeinflussten Teil und einen durch die elektrostatische Kraft beeinflussten Anteil aufgeteilt. By multiple execution of this switching process, it is possible with little effort to record the U / C characteristic of the sensor element and to determine the Kalibπerkoefflzienten. These are in turn stored in circuit 11 and applied to the measurement signal during operation of the pressure sensor. For a self-test during operation, the delta-sigma data stream in turn forms a low-frequency test signal, which is supplied to the pressure sensor. As already described in Figure 5, the pressure sensor signal is then by means of the control circuit 11 in one of the Measured influenced part and a proportion influenced by the electrostatic force share.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors, welcher eine bewegliche Membran über einem Hohlraum aufweist, wobei zur Kalibrierung die Membran durch eine elektrostatische Kraft ausgelenkt und diese Auslenkung gemessen wird.A method of calibrating a pressure sensor having a movable membrane over a cavity, wherein for calibration, the membrane is deflected by an electrostatic force and this deflection is measured.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Messung der Grundkapazitat der Abstand zwischen Membran und Gegenelektrode ermittelt wird, ohne dass eine Kraft auf die Membran einwirkt.2. The method according to claim 1, characterized in that is determined by a measurement of the Grundkapazitat the distance between the membrane and the counter electrode without a force acting on the membrane.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Kraft durch eine Wechselspannung erzeugt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the electrostatic force is generated by an AC voltage.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Wechselspannung unterhalb der mechanischen Grenzfrequenz der Membran und oberhalb der Bandbreite des Ausgangssignals des Drucksensors gewählt ist .4. The method according to claim 3, characterized in that the frequency of the AC voltage is selected below the mechanical cutoff frequency of the membrane and above the bandwidth of the output signal of the pressure sensor.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die elektrostatische Kraft hervorgerufene Auslenkung durch Messung der Kapazität bestimmt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the deflection caused by the electrostatic force is determined by measuring the capacitance.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die elektrostatische Kraft hervorgerufene Auslenkung durch Messung des Widerstandes mindestens eines piezoresistiven Elementes bestimmt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the deflection caused by the electrostatic force is determined by measuring the resistance of at least one piezoresistive element.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Kraft durch eine elektrische Gleichspannung erzeugt wird, welche quasidigital per Pulsweitenmodulation oder als Delta- Sigma-Datenstrom moduliert wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the electrostatic force is generated by a DC electrical voltage, which quasidigital is modulated by pulse width modulation or as a delta-sigma data stream.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet:, dass durch mehrfache Messung der Auslenkung bei variierender elektrostatischer Kraft eine Kennlinie aufgenommen wird, aus welcher die Empfindlichkeit der Membran bestimmt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that by multiple measurement of the deflection with varying electrostatic force, a characteristic is recorded, from which the sensitivity of the membrane is determined.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Drucksensors durch einen Tiefpass von denjenigen Anteilen befreit wird, welche durch die elektrostatische Kraft hervorgerufen werden .9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the output signal of the pressure sensor is released by a low-pass of those portions which are caused by the electrostatic force.
10. Drucksensor, aufweisend10. Pressure sensor, comprising
- eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum erstreckt- A movable membrane, which extends over a cavity
- mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt - Mittel zur Bestimmung der Auslenkung der Membran dadurch gekennzeichnet, dass- At least one electrode pair, which is acted upon by an electrical voltage, wherein the electrical voltage leads to a deflection of the membrane - means for determining the deflection of the membrane, characterized in that
- Eine Mehrzahl von Schaltelementen vorgesehen ist, um jede Einzelelektrode des Elektrodenpaares mit einem ersten elektrischen Potential oder einem zweiten elektrischen Potential zu verbinden.- A plurality of switching elements is provided to connect each individual electrode of the electrode pair with a first electrical potential or a second electrical potential.
11. Drucksensor, aufweisend11. Pressure sensor, comprising
- eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum erstreckt- A movable membrane, which extends over a cavity
- mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt- At least one electrode pair, which is acted upon by an electrical voltage, wherein the electrical voltage leads to a deflection of the membrane
- Em Ladungsverstarker zur kapazitiven Bestimmung der Auslenkung der Membran dadurch gekennzeichnet, dass- Em Ladungsverstarker for capacitive determination of the deflection of the membrane, characterized in that
- Eine Einrichtung vorgesehen ist, um die elektrische Spannung an dem mindestens einen Elektrodenpaar abzubauen.- A device is provided to reduce the electrical voltage across the at least one pair of electrodes.
12. Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung, um die elektrische Spannung an dem mindestens einen Elektrodenpaar abzubauen, einen Kondensator umfasst, welcher zwischen dem Ladungsverstarker und der mit diesem verbundenen Elektrode angeordnet ist.12. Pressure sensor according to claim 11, characterized in that the means for breaking down the electrical voltage across the at least one pair of electrodes comprises a capacitor which is arranged between the charge amplifier and the electrode connected thereto.
13. Verwendung eines Drucksensors nach einem der Ansprüche 10 bis 12 in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einer Einrichtung zur Motorsteuerung. 13. Use of a pressure sensor according to one of claims 10 to 12 in a motor vehicle, in particular in a device for controlling the engine.
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