WO2021228520A1 - Verfahren und system zum bewerten der funktionsfähigkeit eines sensors - Google Patents

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WO2021228520A1
WO2021228520A1 PCT/EP2021/060369 EP2021060369W WO2021228520A1 WO 2021228520 A1 WO2021228520 A1 WO 2021228520A1 EP 2021060369 W EP2021060369 W EP 2021060369W WO 2021228520 A1 WO2021228520 A1 WO 2021228520A1
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sensor
signal
excitation signal
micromechanical
functionality
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Application number
PCT/EP2021/060369
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English (en)
French (fr)
Inventor
Timon BRUECKNER
Massimiliano Musazzi
David SLOGSNAT
Joachim Kreutzer
Gabriele Cazzaniga
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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Publication of WO2021228520A1 publication Critical patent/WO2021228520A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for evaluating the functionality of a sensor, the sensor having a deflectable micromechanical sensor structure for detecting and converting a physical input variable into an electrical sensor signal, and the micromechanical sensor structure being deflectable by means of an excitation signal.
  • the invention also relates to a corresponding system.
  • Micromechanical sensors are often used in practice. For example, micromechanical pressure sensors are used in smartphones, smartwatches, fitness trackers or in loT applications - Internet of Things. The applications are not limited to weather measurements or the estimation of the altitude. Rather, applications are also possible in which, for example, a reliable detection of the floor of a building is carried out from which an emergency number has been dialed.
  • micromechanical sensors measure rotation rates or accelerations, for example.
  • micromechanical sensors have a deflectable micromechanical sensor structure that can detect a physical input variable and convert it into an electrical sensor signal.
  • the micromechanical sensor structure is often formed by a deflectable membrane that is part of a capacitor.
  • the micromechanical sensor structure is usually formed by a spring-mass system. It is important here that the functionality of the sensor is guaranteed over its entire service life and / or that a failure of the sensor can at least be reliably detected. Therefore, for example, US 2017/0023427 A1 and US Pat. No. 5,377,524 disclose self-test functions with which the function of a micromechanical pressure sensor can be checked.
  • a defined excitation signal is applied to a micromechanical sensor structure.
  • a trim correction value and a current trim value for a correction of the sensor signal are determined from a detected sensor response signal.
  • the present invention provides a method for evaluating the functionality of a sensor, the sensor having a deflectable micromechanical sensor structure for detecting and converting a physical input variable into an electrical sensor signal, and the micromechanical sensor structure being deflectable by means of an excitation signal, comprising the Steps:
  • the present invention provides a system comprising at least:
  • a sensor with a deflectable micromechanical sensor structure for detecting and converting a physical input variable into an electrical sensor signal, the micromechanical sensor structure being deflectable by means of an excitation signal
  • an excitation signal generator for generating at least a first and a second excitation signal, wherein the first and the second excitation signal can be output to the micromechanical sensor structure one after the other,
  • An evaluation unit for detecting at least a first and a second sensor signal, the sensor outputting the first sensor signal in response to the first excitation signal and the second sensor signal in response to the second excitation signal, and
  • An evaluation unit which is designed to generate a comparison measure based on the first and second sensor signals and to evaluate the functionality of the sensor based on the comparison measure by means of an evaluation function.
  • the invention can be used in conjunction with a wide variety of sensors as long as these sensors have a deflectable micromechanical sensor structure for detecting and converting a physical input variable into an electrical sensor signal and this micromechanical sensor structure can be deflected by an excitation signal.
  • the sensor is formed by an inertial sensor for measuring an acceleration and / or a rotation.
  • the sensor is formed by a pressure sensor. Since this micromechanical sensor structure can be deflected by an excitation signal, the sensor structure reacts to different degrees, in particular depending on an amplitude of the excitation signal. Usually, larger amplitudes of the excitation signal mean a stronger reaction of the micromechanical sensor structure.
  • a changing reaction of the sensor can be generated without an external influence, such as, for example, moving the sensor or changing a pressure applied to the sensor. If the sensor structure is subjected to two different excitation signals and the actual change in the reaction is compared with an expected change in the reaction, conclusions can be drawn about the general functionality of the sensor.
  • a first excitation signal with a first amplitude is first generated by an excitation signal generator and outputted to the micromechanical structure in order to deflect it.
  • a first sensor signal is generated, which is recorded in a further step.
  • These steps are repeated with a second excitation signal, the second excitation signal having a second amplitude that is different from the first amplitude.
  • a second sensor signal is generated in response to the second excitation signal.
  • a comparison measure is generated that is representative of the reaction of the micromechanical sensor structure to the different excitation signals.
  • This comparative measure is then evaluated by means of an evaluation function.
  • This evaluation function can in principle include everything that relates an actual behavior and a target behavior to one another. The result of the evaluation allows conclusions to be drawn about the functionality of the sensor.
  • the comparison measure is compared with at least one threshold value.
  • the at least one threshold value can be defined in various ways. The definition of the threshold value should allow conclusions to be drawn about the functionality of the sensor. It is advisable if the threshold value is adapted to the comparison measure. If the comparison measure describes, for example, a pressure difference detected by the sensor, it is advisable if the threshold value also relates to a pressure difference.
  • the threshold value can be normalized and, for example, specify a portion of a maximum pressure difference. However, the threshold value can also indicate specific pressure values in the form of absolute values. This short, The non-exhaustive description, which is also not to be understood as a restriction to pressure measurements, shows how flexible and adaptable this concept is.
  • the first and the second excitation signal are each generated as a time-variable, preferably periodic signal.
  • the first and second excitation signals can each be shaped differently. Sinusoidal, triangular or ramp-shaped excitation signals are only mentioned as examples. Due to the particularly simple generation in digital circuits, a rectangular excitation signal is preferably used.
  • the first and the second excitation signal can not only vary in amplitude, but can also have a different shape and / or frequency. Preferably, the first and the second excitation signal only differ in amplitude.
  • the first and second sensor signals are compared with one another and the comparison measure is formed from a difference between the first and second sensor signals.
  • the comparison measure is formed from a difference between the first and second sensor signals.
  • a first measured value corresponding to the first sensor signal and a second measured value corresponding to the second sensor signal are determined and the comparative measure is formed from a difference between the first and second measured values.
  • a deflection caused by an excitation signal is assigned to a specific measured value, for example a specific pressure, a specific acceleration or a specific rate of rotation, and these measured values obtained as a result are compared with one another.
  • This embodiment offers the advantage that the threshold values or the evaluation function can generally be defined and understood relatively intuitively, without having to have knowledge of the specific dependencies of the sensor.
  • the measured values should be available as sampled and digitally converted values.
  • the steps of generating and outputting an excitation signal and the step of detecting a sensor signal are repeated n times, where n is a natural number greater than two.
  • n a natural number greater than two.
  • the first excitation signal and the second excitation signal are each output several times until n sensor signals are generated. It would be possible to switch between the first and the second excitation signal and possibly further excitation signals.
  • the number of different excitation signals can depend on the information that results from the various excitation signals for the functionality of the sensor. All n sensor signals can be used when generating the comparison measure. However, individual sensor signals, for example outliers, can also be omitted.
  • the formation of mean values or some other combination and / or evaluation of sensor signals is possible, please include. The influence of an incorrect measurement can be reduced by using more than two measurements.
  • a comparison is carried out with a plurality of threshold values, each of the plurality of threshold values representing a different measure of a functionality of the sensor.
  • different measures of functionality can be, for example: “functional”, “limited functionality”, “maintenance recommended” or “not functional”.
  • An assessment of the functionality can include the determination of neighboring threshold values between which the comparison measure is arranged. In this way, the functionality can be determined in more detail and a more flexible response to a sensor that is not fully functional.
  • the method disclosed here is not restricted to use in a final test after the production of the sensor. Rather, the method offers the advantage that it is possible to check the functionality of the sensor in the actual application scenario. Measurement pauses can be used to check functionality.
  • the implementation of the method can be triggered periodically, for example monthly, weekly, daily, every four hours or every hour, to name just a few possible periods. It is also conceivable to link the implementation of the method to certain events. These events can be a restart of the sensor, a change in an operating mode, for example from an active mode to a sleep mode or from a sleep mode or an idle state to an active mode, or a predefined value in a register.
  • a “self-test trigger register” can be present, which can be changed, for example, by a host system and which triggers the implementation of the method when a certain value, for example a 1, is reached. After the evaluation of the functionality or during the evaluation, the register can be changed again to a value that does not trigger a new implementation, for example to 0.
  • a system disclosed here comprises a sensor with a deflectable micro-mechanical sensor structure, an excitation signal generator, an evaluation unit and an evaluation unit.
  • the micromechanical sensor structure can be deflected by means of an excitation signal.
  • the excitation signal generator is designed to generate at least a first and a second excitation signal and to output these excitation signals to the micromechanical sensor structure.
  • the evaluation unit is designed to detect at least a first and a second sensor signal, the sensor outputting the first sensor signal in response to the first excitation signal and the second sensor signal in response to the second excitation signal.
  • the evaluation unit is designed to generate a comparison measure based on the first and the second sensor signal and to subject it to an evaluation function.
  • the evaluation function leads to an evaluation of the functionality of the sensor.
  • the evaluation function can include a comparison of the comparative measure with at least one threshold value. Since the system disclosed here can carry out the method disclosed here.
  • the sensor can be designed in different ways and wired in a wide variety of topologies.
  • the sensor is preferably a capacitive sensor, that is to say a change in the micromechanical sensor structure leads to a change in a sensor capacitance, which it detects and can be evaluated.
  • Suitable topologies for interconnecting a Sen sensor are well known from practice.
  • a Wheatstone bridge with one, two or three active elements is preferably used, while the remaining elements of the bridge are not changed by the physical quantity to be measured.
  • the excitation signal generator can also be designed in various ways. The design of the excitation signal generator essentially depends on the excitation signal to be output.
  • the excitation signal generator preferably comprises a chopper circuit and at least one reference voltage source.
  • the chopper circuit converts a reference voltage output by the at least one reference voltage source into an excitation signal that alternates between the reference voltage and a low voltage level.
  • the low voltage level is preferably equal to 0 volts or preferably equal to the negative reference voltage. Since at least a first and a second amplitude must be generated, the at least one reference voltage source can generate and output multiple reference voltages or comprises multiple reference voltage sources that can be switched to the chopper circuit one after the other by a switching device, for example a multiplexer.
  • the senor is formed by a pressure sensor and the physical input variable is formed by a pressure to be measured, the micromechanical sensor structure comprising at least one electrode that is deflected under the action of the pressure to be measured.
  • the use of several electrodes is particularly suitable when the electrodes each form sensor capacitances that are connected in a Wheatstone full bridge.
  • the system comprises a host system which is connected to the evaluation unit and / or the evaluation unit in a communicating manner via an interface.
  • the interface can be implemented in different ways. As an example, reference is made to an implementation by I2C, I3C or SPI - Serial Peripheral Interface - and / or by registers, for example a self-test trigger register, status register or data register.
  • the self-test given by the method described can be implemented completely in the sensor or in associated sensor electronics.
  • a self-test can be initiated by the host system, for example using a "self-test trigger register".
  • the self-test given by the described method can also be carried out partly in the sensor or an associated sensor electronics and partly in the host System implemented. In this way, more complex evaluations can be carried out, since a host system often has more computing power.
  • a non-volatile memory can be provided in which the parameters of a self-test are stored.
  • the results of a self-test can be written to a register interface and read from there by the host system.
  • a result can be simple binary information, for example whether the sensor is functional or not.
  • the result can also contain more detailed information about the sensor status and be several bits or bytes in size.
  • the sensor can send an interrupt signal that indicates that the self-test has failed.
  • the trustworthiness of acquired sensor data can be reduced and a review of the sensor data, for example by means of sensor fusion, can be initiated.
  • the detection of a floor can be checked and corrected by means of a pressure sensor using G PS data. The same applies if the result of a self-test shows a sensor that is not fully functional.
  • the various units of the system can be implemented differently. A combination of software and hardware is preferably used. Parts of the excitation signal generator, the evaluation unit and the evaluation unit can be implemented by programs that are processed on a processor. An ASIC - Application Specific Integrated Circuit - is preferably used here. In addition, interfaces for communication with the system, a working memory, a non-volatile memory for storing program code and / or parameters and / or other components can be present.
  • FIG. 1 shows a flow chart with steps of an embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 2 shows a flow chart with steps of another embodiment of a method according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a sensor with a deflectable micromechanical sensor structure
  • FIG. 4 shows a circuit of an embodiment of a system according to the invention
  • FIG. 5 shows a block diagram with functional units of an embodiment of a system according to the invention.
  • FIG. 6 shows a block diagram with functional units of another embodiment of a system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a flow chart with steps of an embodiment of a method according to the invention.
  • a first excitation signal with a first amplitude is generated, which is output in step S2 to a micromechanical sensor structure of the sensor to be evaluated.
  • a first sensor signal is detected, which arises in response to the first excitation signal at the sensor.
  • a second excitation signal with a second amplitude is generated and in step S5 to the micromechanical niche sensor structure output.
  • a second sensor signal is detected in response to the second excitation signal.
  • a comparison measure is generated based on the first and the second sensor signal, which is used in step S8 to assess the functionality of the sensor.
  • FIG. 2 shows a flow chart in which several sensor signals are recorded.
  • step S10 an excitation signal with a predefined amplitude is generated and output to the micromechanical sensor structure.
  • step Sil a sensor signal is recorded, which is generated in response to the excitation signal.
  • This step Sil includes an analog-to-digital conversion and, if necessary, processing, for example by filtering or error compensation.
  • a measured value can also be determined in this step, in which a sensor signal is assigned to a specific value of a physical variable to be measured.
  • the value obtained (sensor signal or measured value) is stored in step S12.
  • step S13 it is checked whether further measurements are necessary or whether the desired n values have already been generated.
  • step S10 If all measurements have not yet taken place (“Yes”), a return is made to step S10. If all n values have been generated (“No”), the process continues with step S14 and a comparison measure is generated and, in step S15, the functionality of the sensor is assessed based on the comparison measure. If the comparison measure corresponds to an expected outcome (“Yes”), a signal “Self-test passed” is output in step S16. If this is not the case (“No”), a signal “Self-test failed” is output in step S17.
  • FIG. 3 shows an example of a pressure sensor which can be used in the method according to the invention and the system according to the invention.
  • the sensor 1 comprises a micromechanical sensor structure 2 and a ground electrode 3.
  • the ground electrode 3 is arranged at the bottom of a recess 4 in a MEMS substrate 5; the micromechanical sensor structure 2 closes off the recess 4 on one side.
  • a pressure that acts on the side of the micromechanical sensor structure 2 facing away from the depression 4 deflects the micromechanical sensor structure 2.
  • the micromechanical sensor structure 2 and the ground electrode 3 form a capacitor, the capacity of which ultimately depends on the pressure applied.
  • an electronics 6 is connected to the micromechanical sensor structure 2 and the ground electronics 3.
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of an embodiment of a system according to the invention.
  • the sensor 1 comprises two sensor capacitors 7 and two reference capacitors 8, which are connected in a Wheatstone full bridge.
  • the sensor capacitance 7 comprises a micromechanical sensor structure with two electrodes.
  • the sensor has connections 9 to 12, of which connections 9 and 12 are connected to an excitation signal generator 13 and connections 10 and 11 are connected to an evaluation unit 14.
  • the excitation signal generator 13 has two reference voltage sources 15, 16, a multiplexer 17 and a chopper circuit 18.
  • the multiplexer 17 switches one of the two reference voltage sources 15, 16 to the chopper circuit 18.
  • a chopper signal 19 given to the chopper circuit 18 causes the chopper circuit to generate a square-wave signal, the amplitude of which corresponds to the reference voltage of the reference voltage source 15, 16 connected via the multiplexer 17 and the frequency of which is equal to the frequency of the chopper signal 19.
  • the evaluation unit 14 comprises a rectifier 20, an amplifier 21 and an analog-digital converter 22.
  • the rectifier 20 consists of switches that are controlled with the chopper signal 19 in such a way that a voltage is always greater at the output of the rectifier 20 or equal to 0 volts.
  • a digital value that is generated by the analog-digital converter 22 forms the output value of the evaluation unit 14 and is input into an evaluation unit 23.
  • FIGS 5 and 6 show block diagrams with functional units of embodiments of a system according to the invention. Since the two embodiments differ only in a few blocks, the similarities are described first.
  • the systems include a sensor 1, sensor electronics 24 and a host system 25.
  • a temperature sensor 26 is present.
  • Sensor 1 is controlled with an excitation signal generator 13, which outputs an excitation signal 35 to sensor 1.
  • the sensor 1 generates a sensor signal 36, which is input into an evaluation unit 14.
  • the temperature sensor 26 is connected to the evaluation unit 14.
  • the evaluation unit 14 detects and digitizes a given signal from the two sensors. Measured values obtained are further processed in a filter 27 and a compensation unit 28 and then stored in a data register 29.
  • Parameters for the compensation are stored in a non-volatile memory 30, which is why the non-volatile memory 30 is connected to the compensation unit 28.
  • the host system 25 can access the data register via an interface 31 29 access.
  • the entire self-test is controlled by a self-test control unit 32, which can refer to the self-test parameters stored in the non-volatile memory 30 therefrom.
  • a self-test trigger register 33 is connected to the interface 31 and can be filled with a value by the host system 25 in such a way that the self-test control unit 32 is prompted to carry out a self-test.
  • an evaluation unit (not explicitly shown in FIG. 6) is also implemented in the self-test control unit 32, so that the self-test control unit 32 not only controls the units of the sensor electronics, but also evaluates the functionality of the sensor.
  • the self-test control unit 32 is also connected to the output of the compensation unit 28.
  • the host system 25 can access the recorded pressure and temperature measurement values in the data register 29 and the status of the self-test in the self-test status register 34 via the interface 31.
  • the evaluation unit (not shown explicitly in FIG. 6) is implemented in the host system 25.
  • the non-volatile memory 30 is connected to the host system 25 via the interface 31. Via this connection, the host system 25 can load sensor-specific information from the non-volatile memory 30 and evaluate the pressure and temperature measured values present in the data register 29.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten der Funktionsfähigkeit eines Sensors, wobei der Sensor eine auslenkbare mikromechanische Sensorstruktur zum Detektieren und Umwandeln einer physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal aufweist und wobei die mikromechanische Sensorstruktur mittels eines Anregungssignals auslenkbar ist, umfassend die Schritte: - Erzeugen eines ersten Anregungssignals mit einer ersten Amplitude mittels eines Anregungssignalgenerators, - Ausgeben des ersten Anregungssignals an die mikromechanische Sensorstruktur zum Auslenken der mikromechanischen Sensorstruktur, - Erfassen eines ersten Sensorsignals in Reaktion auf das erste Anregungssignal, - Erzeugen eines zweiten Anregungssignals mit einer zweiten Amplitude mittels des Anregungssignalgenerators, wobei die zweite Amplitude von der ersten Amplitude verschieden ist, - Ausgeben des zweiten Anregungssignals an die mikromechanische Sensorstruktur zum Auslenken der mikromechanischen Sensorstruktur, - Erfassen eines zweiten Sensorsignals in Reaktion auf das zweite Anregungssignal, - Erzeugen eines Vergleichsmaßes basierend auf dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal und - Bewerten der Funktionsfähigkeit des Sensors basierend auf dem Vergleichsmaß mittels einer Bewertungsfunktion. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes System.

Description

Verfahren und System zum Bewerten der Funktionsfähigkeit eines Sensors
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten der Funktionsfähigkeit eines Sensors, wobei der Sensor eine auslenkbare mikromechanische Sensorstruktur zum Detektieren und Umwandeln einer physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal aufweist und wobei die mikromechanische Sensorstruktur mittels eines Anregungssignals auslenk bar ist.
Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes System.
Stand der Technik
Mikromechanische Sensoren werden in der Praxis häufig eingesetzt. So kommen bei spielsweise mikromechanische Drucksensoren in Smartphones, Smartwatches, Fitness- Trackern oder bei loT- Anwendungen - Internet of Things - zum Einsatz. Dabei beschrän ken sich die Anwendungsfälle nicht lediglich auf Wettermessungen oder das Schätzen der Höhe. Vielmehr sind auch Anwendungsfälle möglich, bei denen bei spielsweise ein sicheres Erkennen des Stockwerks eines Gebäudes durchgeführt wird, aus dem eine Notrufnummer gewählt worden ist.
Andere bekannte mikromechanische Sensoren messen beispielsweise Drehraten oder Be schleunigungen.
Derartige mikromechanische Sensoren weisen eine auslenkbare mikromechanische Sen sorstruktur auf, die eine physikalische Eingangsgröße detektieren und in ein elektrisches Sensorsignal umwandeln kann. Die mikromechanische Sensorstruktur ist bei einem Druck sensor häufig durch eine auslenkbare Membran gebildet, die Teil eines Kondensators ist. Bei einem Beschleunigungs- oder Drehratensensor ist die mikromechanische Sensorstruk tur üblicherweise durch ein Feder- Masse-System gebildet. Hierbei ist es wichtig, dass die Funktionsfähigkeit des Sensors über die gesamte Lebens dauer gewährleistet ist und/oder zumindest zuverlässig ein Ausfall des Sensors erkannt werden kann. Daher sind beispielsweise in der US 2017/0023427 Al und der US 5,377,524 Selbsttestfunktionen offenbart, mit denen die Funktion eines mikromechanischen Druck sensors überprüfbar ist.
Bei anderen Systemen sind Möglichkeiten zur Rekalibrierung des Sensors geschaffen. Bei der US 2018/0052185 Al wird eine Übertragungsfunktion eines Wandlers basierend auf einer Reaktion auf ein eingegebenes elektrisches Signal ermittelt. Daraus werden Parame ter zu einer Kalibrierung des Wandlers bestimmt.
Bei der WO 2019/219258 Al wird ein definiertes Anregungssignal an eine mikromechani sche Sensorstruktur angelegt. Aus einem erfassten Sensor-Antwortsignal werden ein Trimm- Korrekturwert und ein aktueller Trimmwert für eine Korrektur des Sensorsignals er mittelt.
Andere Kalibrierungsverfahren sind aus der US 9,689,770 B2 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bewerten der Funktionsfähigkeit eines Sensors bereit, wobei der Sensor eine auslenkbare mikromechani sche Sensorstruktur zum Detektieren und Umwandeln einer physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal aufweist und wobei die mikromechanische Sensorstruktur mittels eines Anregungssignals auslenkbar ist, umfassend die Schritte:
• Erzeugen eines ersten Anregungssignals mit einer ersten Amplitude mittels eines Anregungssignalgenerators,
• Ausgeben des ersten Anregungssignals an die mikromechanische Sen sorstruktur zum Auslenken der mikromechanischen Sensorstruktur,
• Erfassen eines ersten Sensorsignals in Reaktion auf das erste Anregungssig nal,
• Erzeugen eines zweiten Anregungssignals mit einer zweiten Amplitude mittels des Anregungssignalgenerators, wobei die zweite Amplitude von der ersten Amplitude verschieden ist, • Ausgeben des zweiten Anregungssignals an die mikromechanische Sen sorstruktur zum Auslenken der mikromechanischen Sensorstruktur,
• Erfassen eines zweiten Sensorsignals in Reaktion auf das zweite Anregungs signal,
• Erzeugen eines Vergleichsmaßes basierend auf dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal und
• Bewerten der Funktionsfähigkeit des Sensors basierend auf dem Vergleichs maß mittels einer Bewertungsfunktion.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein System bereit, das zumindest umfasst:
• einen Sensor mit einer auslenkbaren mikromechanischen Sensorstruktur zum Detektieren und Umwandeln einer physikalischen Eingangsgröße in ein elekt risches Sensorsignal, wobei die mikromechanische Sensorstruktur mittels ei nes Anregungssignals auslenkbar ist,
• einen Anregungssignalgenerator zum Erzeugen mindestens eines ersten und eines zweiten Anregungssignals, wobei das erste und das zweite Anregungs signal nacheinander an die mikromechanische Sensorstruktur ausgebbar sind,
• eine Auswerteeinheit zum Erfassen mindestens eines ersten und eines zwei ten Sensorsignals, wobei der Sensor das erste Sensorsignal in Reaktion auf das erste Anregungssignal ausgibt und das zweite Sensorsignal in Reaktion auf das zweite Anregungssignal, und
• eine Bewertungseinheit, die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal ein Vergleichsmaß zu erzeugen und die Funk tionsfähigkeit des Sensors basierend auf dem Vergleichsmaß mittels einer Bewertungsfunktion zu bewerten.
Die Erfindung kann im Zusammenhang mit den verschiedensten Sensoren eingesetzt wer den, solange diese Sensoren eine auslenkbare mikromechanische Sensorstruktur zum De tektieren und Umwandeln einer physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensor signal aufweisen und diese mikromechanische Sensorstruktur durch ein Anregungssignal auslenkbar ist. In einer Ausführungsform ist der Sensor durch einen Inertialsensor zum Messen einer Beschleunigung und/oder einer Drehung gebildet. In einer anderen Ausfüh rungsform ist der Sensor durch einen Drucksensor gebildet. Da diese mikromechanische Sensorstruktur durch ein Anregungssignal auslenkbar ist, rea giert die Sensorstruktur insbesondere abhängig von einer Amplitude des Anregungssignals unterschiedlich stark. Üblicherweise bedeuten größere Amplituden des Anregungssignals eine stärkere Reaktion der mikromechanischen Sensorstruktur. Auf diese Weise kann ohne eine externe Einwirkung, wie beispielsweise dem Bewegen des Sensors oder dem Ändern eines an dem Sensor anliegenden Drucks, eine sich ändernde Reaktion des Sensors er zeugt werden. Wenn die Sensorstruktur mit zwei unterschiedlichen Anregungssignalen be aufschlagt und die tatsächliche Änderung der Reaktion mit einer erwarteten Änderung der Reaktion verglichen wird, können Rückschlüsse auf die generelle Funktionsfähigkeit des Sensors gezogen werden.
Unter Nutzung dieses Prinzips wird bei der zuvor genannten Ausführungsform des Verfah rens zunächst durch einen Anregungssignalgenerator ein erstes Anregungssignal mit einer ersten Amplitude erzeugt und zum Auslenken der mikromechanischen Struktur an diese ausgegeben. In Reaktion auf das erste Anregungssignal entsteht ein erstes Sensorsignal, das in einem weiteren Schritt erfasst wird. Diese Schritte werden mit einem zweiten Anre gungssignal wiederholt, wobei das zweite Anregungssignal eine zweite Amplitude aufweist, die von der ersten Amplitude verschieden ist. In Reaktion auf das zweite Anregungssignal entsteht ein zweites Sensorsignal. Basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsig nal wird ein Vergleichsmaß erzeugt, das für die Reaktion der mikromechanischen Sen sorstruktur auf die unterschiedlichen Anregungssignale repräsentativ ist. Dieses Ver gleichsmaß wird danach mittels einer Bewertungsfunktion bewertet. Diese Bewertungsfunk tion kann prinzipiell alles umfassen, was ein Istverhalten und ein Sollverhalten in Beziehung zueinander setzt. Aus dem Ergebnis der Bewertung ergeben sich Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit des Sensors.
In einer Ausführungsform der Bewertungsfunktion wird das Vergleichsmaß mit mindestens einem Schwellenwert verglichen. Der mindestens eine Schwellenwert kann auf verschiede ne Weise definiert sein. Dabei sollte die Definition des Schwellenwerts Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit des Sensors erlauben. Es bietet sich an, wenn der Schwellenwert an das Vergleichsmaß angepasst ist. Wenn das Vergleichsmaß beispielsweise eine durch den Sensor erkannte Druckdifferenz beschreibt, bietet es sich an, wenn sich auch der Schwel lenwert auf eine Druckdifferenz bezieht. Dabei kann der Schwellenwert normiert sein und beispielsweise einen Anteil einer maximalen Druckdifferenz angeben. Der Schwellenwert kann aber auch konkrete Druckwerte in Form von Absolutwerten angeben. Diese kurze, nicht abschließende Beschreibung, die zudem nicht als Beschränkung auf Druckmessun gen zu verstehen ist, zeigt, wie flexibel und anpassungsfähig dieses Konzept ist.
In einer Ausführungsform wird das erste und das zweite Anregungssignal jeweils als zeitlich veränderliches, vorzugsweise periodisches Signal erzeugt. Das erste und zweite Anre gungssignal kann jeweils verschiedentlich geformt sein. Lediglich beispielhaft seien sinus-, dreieck- oder rampenförmige Anregungssignale genannt. Aufgrund der besonders einfa chen Erzeugung in digitalen Schaltungen wird vorzugsweise ein rechteckförmiges Anre gungssignal genutzt. Das erste und das zweite Anregungssignal können nicht nur in der Amplitude variieren, sondern können auch unterschiedliche Form und/oder Frequenz auf weisen. Vorzugsweise unterscheiden sich das erste und das zweite Anregungssignal je doch lediglich in der Amplitude.
In einer Ausführungsform wird bei dem Schritt des Erzeugens des Vergleichsmaßes das erste und das zweite Sensorsignal miteinander verglichen und das Vergleichsmaß aus ei ner Differenz zwischen erstem und zweitem Sensorsignal gebildet. Auf diese Weise kann ohne aufwändige Anpassungen eine Bewertung des Sensorverhaltens vorgenommen wer den. Für das Erzeugen des Vergleichsmaßes kann beispielsweise eine maximale Amplitude oder ein Mittelwert der beiden Sensorsignale genutzt werden. Bei einer Abarbeitung des Verfahrens mit digitalen Mitteln dürfte ein Vergleich der Sensorsignale basierend auf abge tasteten und digital-gewandelten Werten erfolgen.
In einer anderen Ausführungsform wird bei dem Schritt des Erzeugens des Vergleichs maßes ein mit dem ersten Sensorsignal korrespondierender erster Messwert und ein mit dem zweiten Sensorsignal korrespondierender zweiter Messwert bestimmt und das Ver gleichsmaß aus einer Differenz des ersten und zweiten Messwerts gebildet. Dies bedeutet, dass eine durch ein Anregungssignal hervorgerufene Auslenkung einem konkreten Mess wert, beispielsweise einem konkreten Druck, einer konkreten Beschleunigung oder einer konkreten Drehrate, zugeordnet wird und diese dadurch erhaltenen Messwerte miteinander verglichen werden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Schwellenwerte be ziehungsweise die Bewertungsfunktion allgemein relativ intuitiv definiert und verstanden werden können, ohne dass Kenntnisse über die konkreten Abhängigkeiten des Sensors vorliegen müssen. Die Messwerte dürften als abgetastete und digital-gewandelte Werte vorliegen. In einer Ausführungsform werden die Schritte des Erzeugens und Ausgebens eines Anre gungssignals und der Schritt des Erfassens eines Sensorsignals n Mal wiederholt, wobei n eine natürliche Zahl größer als zwei ist. Dabei können n verschiedene Anregungssignale erzeugt werden. Es ist aber auch denkbar, dass das erste Anregungssignal und das zweite Anregungssignal jeweils mehrfach ausgegeben werden, bis n Sensorsignale erzeugt sind. Dabei könnte jeweils zwischen dem ersten und dem zweiten Anregungssignal und eventuell weiteren Anregungssignalen gewechselt werden. Die Anzahl verschiedener Anregungssig nale kann von den Informationen abhängen, die sich für die Funktionsfähigkeit des Sensors aus den verschiedenen Anregungssignalen ergeben. Bei dem Erzeugen des Vergleichs maßes können alle n Sensorsignale genutzt werden. Es können aber auch einzelne Sen sorsignale, beispielsweise Ausreißer, weggelassen werden. Das Bilden von Mittelwerten oder ein anderweitiges Zusammenfassen und/oder Bewerten von Sensorsignalen ist mög lich. Durch Nutzen von mehr als zwei Messungen kann der Einfluss einer Fehlmessung reduziert werden.
In einer Ausführungsform wird bei dem Schritt des Bewertens der Funktionsfähigkeit des Sensors für einen funktionsfähigen Sensor entschieden, wenn das Vergleichsmaß größer oder kleiner als der mindestens eine Schwellenwert ist. Auf diese Weise kann sehr einfach und eindeutig eine Klassifikation der Funktionsfähigkeit des Sensors vorgenommen werden.
In einer anderen Ausführungsform wird bei dem Schritt des Bewertens der Funktionsfähig keit des Sensors ein Vergleich mit mehreren Schwellenwerten durchgeführt, wobei jeder der mehreren Schwellenwerte ein unterschiedliches Maß einer Funktionsfähigkeit des Sen sors repräsentiert. Derartige unterschiedliche Maße einer Funktionsfähigkeit können bei spielsweise sein: „funktionsfähig“, „eingeschränkt funktionsfähig“, „Wartung empfohlen“ o- der „nicht funktionsfähig“. Ein Bewerten der Funktionsfähigkeit kann das Bestimmen be nachbarter Schwellenwerte beinhalten, zwischen denen das Vergleichsmaß angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Funktionsfähigkeit detaillierter bestimmt und flexibler auf einen nicht voll funktionsfähigen Sensor reagiert werden.
Das hier offenbarte Verfahren ist nicht auf eine Verwendung bei einer Endprüfung nach der Produktion des Sensors beschränkt. Vielmehr bietet das Verfahren den Vorteil, dass eine Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Sensors in dem tatsächlichen Einsatzszenarium möglich ist. Für die Prüfung der Funktionsfähigkeit können Messpausen genutzt werden. Die Durchführung des Verfahrens kann dabei periodisch ausgelöst werden, beispielsweise monatlich, wöchentlich, täglich, alle vier Stunden oder stündlich, um lediglich einige mögli che Perioden zu nennen. Denkbar ist auch, die Durchführung des Verfahrens an bestimmte Ereignisse zu knüpfen. Diese Ereignisse können ein Neustart des Sensors, ein Wechsel eines Betriebsmodus, beispielsweise aus einem aktiven Modus in einen Schlafmodus oder aus einem Schlafmodus oder einem Ruhezustand in einen aktiven Modus, oder ein vordefi nierter Wert in einem Register sein. Bezüglich des letztgenannten Ereignisses kann ein „Selbsttest- Auslöse- Register“ vorhanden sein, das beispielsweise von einem Host-System geändert werden kann und das bei einem bestimmten Wert, beispielsweise einer 1, die Durchführung des Verfahrens auslöst. Nach der Bewertung der Funktionsfähigkeit oder während der Bewertung kann das Register wieder auf einen Wert geändert werden, der keine neue Durchführung auslöst, beispielsweise auf 0.
Ein hier offenbartes System umfasst einen Sensor mit einer auslenkbaren mikro mechanischen Sensorstruktur, einen Anregungssignalgenerator, eine Auswerteeinheit und eine Bewertungseinheit. Die mikromechanische Sensorstruktur ist mittels eines Anregungs signals auslenkbar. Der Anregungssignalgenerator ist zum Erzeugen mindestens eines ersten und eines zweiten Anregungssignals und zum Ausgeben dieser Anregungssignale an die mikromechanische Sensorstruktur ausgebildet. Die Auswerteeinheit ist zum Erfassen mindestens eines ersten und eines zweiten Sensorsignals ausgebildet, wobei der Sensor das erste Sensorsignal in Reaktion auf das erste Anregungssignal und das zweite Sensor signal in Reaktion auf das zweite Anregungssignal ausgibt. Die Bewertungseinheit ist dazu ausgebildet, basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal ein Vergleichsmaß zu erzeugen und einer Bewertungsfunktion zu unterziehen. Die Bewertungsfunktion führt zu einer Bewertung der Funktionsfähigkeit des Sensors. Dabei kann die Bewertungsfunktion ein Vergleichen des Vergleichsmaßes mit mindestens einem Schwellenwert umfassen. Da bei kann das hier offenbarte System das hier offenbarte Verfahren durchführen.
Der Sensor kann verschiedentlich ausgebildet und in verschiedensten Topologien verschal tet sein. Vorzugsweise ist der Sensor ein kapazitiver Sensor, das heißt eine Änderung der mikromechanischen Sensorstruktur führt zu einer Änderung einer Sensorkapazität, die er fasst und ausgewertet werden kann. Geeignete Topologien für das Verschalten eines Sen sors sind aus der Praxis hinlänglich bekannt. Vorzugsweise wird eine Wheatstone- Brücke mit einem, zwei oder drei aktiven Elementen eingesetzt, während die verbleibenden Ele mente der Brücke durch die zu messende physikalische Größe nicht verändert werden. Auch der Anregungssignalgenerator kann verschiedentlich ausgebildet sein. Die Ausbildung des Anregungssignalgenerators hängt im Wesentlichen von dem auszugebenden Anre gungssignal ab. Bei dem bevorzugten Anregungssignal als Rechtecksignal umfasst der Anregungssignalgenerator vorzugsweise eine Zerhackerschaltung und mindestens eine Referenzspannungsquelle. Die Zerhackerschaltung wandelt eine durch die mindestens eine Referenzspannungsquelle ausgegebene Referenzspannung in ein Anregungssignal um, das zwischen der Referenzspannung und einem Low-Spannungspegel wechselt. Der Low- Spannungspegel ist vorzugsweise gleich 0 Volt oder vorzugsweise gleich der negativen Referenzspannung. Da zumindest eine erste und eine zweite Amplitude erzeugt werden muss, kann die mindestens eine Referenzspannungsquelle mehrere Referenzspannungen erzeugen und ausgeben oder umfasst mehrere Referenzspannungsquellen, die nacheinan der durch eine Schalteinrichtung, beispielsweise einen Multiplexer, auf die Zerhackerschal tung geschaltet werden können.
In einer Ausführungsform ist der Sensor durch einen Drucksensor und die physikalische Eingangsgröße durch einen zu messenden Druck gebildet, wobei die mikromechanische Sensorstruktur mindestens eine Elektrode umfasst, die unter Einwirkung des zu messenden Drucks ausgelenkt wird. Die Verwendung mehrerer Elektroden eignet sich insbesondere dann, wenn die Elektroden jeweils Sensorkapazitäten bilden, die in einer Wheatstone- Vollbrücke verschaltet sind.
In einer Ausführungsform umfasst das System ein Host-System, das über eine Schnittstelle kommunizierend mit der Auswerteeinheit und/oder der Bewertungseinheit verbunden ist. Die Schnittstelle kann auf unterschiedliche Weise implementiert sein. Beispielhaft sei auf eine Implementierung durch I2C, I3C oder SPI - Serial Peripheral Interface - und/oder durch Register, beispielsweise ein Selbsttest- Auslöse- Register, Status- Register oder Da ten- Register, verwiesen.
Der durch das beschriebene Verfahren gegebene Selbsttest kann vollständig in dem Sen sor beziehungsweise einer zugehörigen Sensorelektronik implementiert sein. Ein Selbsttest kann durch das Host-System angestoßen werden, beispielsweise unter Nutzung eines „Selbsttest- Auslöse- Register“.
Der durch das beschriebene Verfahren gegebene Selbsttest kann auch teilweise in dem Sensor beziehungsweise einer zugehörigen Sensorelektronik und teilweise in dem Host- System implementiert sein. Auf diese Weise lassen sich komplexere Auswertungen durch führen, da ein Host-System oft mehr Rechenleistung aufweist.
Es kann ein nichtflüchtiger Speicher bereitgestellt sein, in dem Parameter eines Selbsttests abgespeichert sind. Die Ergebnisse eines Selbsttests können in eine Register-Schnittstelle geschrieben und von dort aus durch das Host-System ausgelesen werden. Ein Ergebnis kann eine einfache binäre Information sein, beispielsweise ob der Sensor funktionstüchtig ist oder nicht. Das Ergebnis kann auch detailliertere Informationen über den Sensorzustand umfassen und mehrere Bit oder Byte groß sein.
Im Falle eines gescheiterten Selbsttests kann der Sensor ein Interrupt-Signal aussenden, das den gescheiterten Selbsttest anzeigt. In diesem Fall kann die Vertrauenswürdigkeit gewonnener Sensordaten herabgesetzt und eine Überprüfung der Sensordaten, beispiels weise mittels Sensorfusion, angestoßen werden. Hierzu kann beispielsweise die Detektion eines Stockwerks mittels eines Drucksensors mittels G PS- Daten überprüft und korrigiert werden. Entsprechendes gilt, wenn das Ergebnis eines Selbsttests einen nicht voll funkti onsfähigen Sensor anzeigt.
Die verschiedenen Einheiten des Systems können unterschiedlich implementiert sein. Vor zugsweise wird eine Kombination aus Software und Hardware genutzt. Dabei können Teile des Anregungssignalgenerators, die Auswerteeinheit und die Bewertungseinheit durch Pro gramme implementiert sein, die auf einem Prozessor abgearbeitet werden. Vorzugsweise kommt hierbei ein ASIC - Application Specific Integrated Circuit - zum Einsatz. Zusätzlich können Schnittstellen zur Kommunikation mit dem System, ein Arbeitsspeicher, ein nicht flüchtiger Speicher zum Speichern von Programmcode und/oder Parametern und/oder wei tere Komponenten vorhanden sein.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unter ansprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich glei che Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemen te beziehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Dabei zeigt:
Figur 1 ein Ablaufdiagramm mit Schritten einer Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Verfahrens,
Figur 2 ein Ablaufdiagramm mit Schritten einer anderen Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Verfahrens,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Sensors mit einer auslenkbaren mikrome chanischen Sensorstruktur,
Figur 4 eine Schaltung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems,
Figur 5 ein Blockschaltbild mit Funktionseinheiten einer Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Systems und
Figur 6 ein Blockschaltbild mit Funktionseinheiten einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Schritten einer Ausführungsform eines erfindungsge mäßen Verfahrens. In Schritt S1 wird ein erstes Anregungssignal mit einer ersten Amplitude erzeugt, das in Schritt S2 an eine mikromechanische Sensorstruktur des zu bewertenden Sensors ausgegeben wird. In Schritt S3 wird ein erstes Sensorsignal erfasst, das in Reakti on auf das erste Anregungssignal an dem Sensor entsteht. In Schritt S4 wird ein zweites Anregungssignal mit einer zweiten Amplitude erzeugt und in Schritt S5 an die mikromecha- nische Sensorstruktur ausgegeben. In Schritt S6 wird ein zweites Sensorsignal in Reaktion auf das zweite Anregungssignal erfasst. In Schritt S7 wird basierend auf dem ersten und dem zweiten Sensorsignal ein Vergleichsmaß erzeugt, das in Schritt S8 zu einer Bewertung der Funktionsfähigkeit des Sensors herangezogen wird.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm, bei dem mehrere Sensorsignale erfasst werden. In Schritt S10 wird ein Anregungssignal mit einer vordefinierten Amplitude erzeugt und an die mikromechanische Sensorstruktur ausgegeben. In Schritt Sil wird ein Sensorsignal er fasst, das in Reaktion auf das Anregungssignal entsteht. Dieser Schritt Sil beinhaltet eine Analog-Digital-Wandlung und gegebenenfalls eine Aufbereitung, beispielsweise durch Filte rung oder Fehlerkompensation. Je nach Art der Auswertung kann in diesem Schritt auch eine Bestimmung eines Messwerts erfolgen, bei dem ein Sensorsignal einem konkreten Wert einer zu messenden physikalischen Größe zugeordnet wird. In Schritt S12 wird der gewonnene Wert (Sensorsignal oder Messwert) abgespeichert. In Schritt S13 wird über prüft, ob noch weitere Messungen erforderlich sind oder ob die gewünschten n Werte be reits erzeugt worden sind. Sofern noch nicht alle Messungen erfolgt sind („Yes“), wird zu Schritt S10 zurückgekehrt. Wenn alle n Werte erzeugt worden sind („No“), wird mit Schritt S14 fortgefahren und ein Vergleichsmaß erzeugt und in Schritt S15 die Funktionsfähigkeit des Sensors basierend auf dem Vergleichsmaß bewertet. Entspricht das Vergleichsmaß einem erwarteten Ausgang („Yes“), wird in Schritt S16 ein Signal „Selbsttest bestanden“ ausgegeben. Ist die nicht der Fall („No“), wird in Schritt S17 ein Signal „Selbsttest fehlge schlagen“ ausgegeben.
In Figur 3 ist ein Beispiel eines Drucksensors dargestellt, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann. Der Sensor 1 umfasst eine mikromechanische Sensorstruktur 2 und eine Masseelektrode 3. Die Masse elektrode 3 ist am Boden einer Vertiefung 4 in einem MEMS-Substrat 5 angeordnet; die mikromechanische Sensorstruktur 2 schließt die Vertiefung 4 an einer Seite ab. Ein Druck, der auf der der Vertiefung 4 abgewandten Seite der mikromechanischen Sensorstruktur 2 wirkt, lenkt die mikromechanische Sensorstruktur 2 aus. Die mikromechanische Sen sorstruktur 2 und die Masseelektrode 3 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität letzt endlich von dem anliegenden Druck abhängt. Zum Messen dieser Kapazität ist eine Elekt ronik 6 mit der mikromechanischen Sensorstruktur 2 und der Masseelektronik 3 verbunden. Figur 4 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems. Der Sensor 1 umfasst zwei Sensorkapazitäten 7 und zwei Referenzkapazitäten 8, die in einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltet sind. Die Sensorkapazitäten 7 umfasst dabei eine mik romechanische Sensorstruktur mit zwei Elektroden. Der Sensor weist Anschlüsse 9 bis 12 auf, von denen die Anschlüsse 9 und 12 mit einem Anregungssignalgenerator 13 und die Anschlüsse 10 und 11 mit einer Auswerteeinheit 14 verbunden sind. Der Anregungssignal generator 13 weist zwei Referenzspannungsquellen 15, 16, einen Multiplexer 17 und eine Zerhackerschaltung 18 auf. Der Multiplexer 17 schaltet eine der beiden Referenzspan nungsquellen 15, 16 auf die Zerhackerschaltung 18. Ein in die Zerhackerschaltung 18 ein gegebenes Zerhackersignal 19 lässt die Zerhackerschaltung ein Rechtecksignal erzeugen, dessen Amplitude der Referenzspannung der über den Multiplexer 17 jeweils aufgeschalte ten Referenzspannungsquelle 15, 16 entspricht und dessen Frequenz gleich der Frequenz des Zerhackersignals 19 ist.
Die Auswerteeinheit 14 umfasst einen Gleichrichter 20, einen Verstärker 21 und einen Ana- log-Digital-Wandler 22. Der Gleichrichter 20 besteht aus Schaltern, die mit dem Zerhacker signal 19 derart angesteuert werden, dass an dem Ausgang des Gleichrichters 20 stets eine Spannung größer oder gleich 0 Volt anliegt. Ein Digitalwert, der durch den Analog- Digital-Wandler 22 erzeugt wird, bildet den Ausgangswert der Auswerteeinheit 14 und wird in eine Bewertungseinheit 23 eingegeben.
Die Figuren 5 und 6 zeigen Blockschaltbilder mit Funktionseinheiten von Ausführungsfor men eines erfindungsgemäßen Systems. Da sich beide Ausführungsformen lediglich in we nigen Blöcken unterscheiden, werden zunächst die Gemeinsamkeiten beschrieben. Die Systeme umfassen einen Sensor 1, eine Sensorelektronik 24 und ein Host-System 25. Zu sätzlich zu dem Sensor 1 ist ein Temperatursensor 26 vorhanden. Sensor 1 wird mit einem Anregungssignalgenerator 13 angesteuert, der ein Anregungssignal 35 an den Sensor 1 ausgibt. In Reaktion auf das Anregungssignal erzeugt der Sensor 1 ein Sensorsignal 36, das in eine Auswerteeinheit 14 eingegeben wird. Ergänzend ist der Temperatursensor 26 mit der Auswerteeinheit 14 verbunden. Die Auswerteeinheit 14 erfasst und digitalisiert ein gegebene Signale der beiden Sensoren. In einem Filter 27 und einer Kompensationseinheit 28 werden gewonnene Messwerte weiter aufbereitet und anschließend in ein Daten- Register 29 abgelegt. In einem nichtflüchtigen Speicher 30 sind Parameter für die Kompen sation abgelegt, weshalb der nichtflüchtige Speicher 30 mit der Kompensationseinheit 28 verbunden ist. Das Host-System 25 kann über eine Schnittstelle 31 auf das Daten- Register 29 zugreifen. Der gesamte Selbsttest wird durch eine Selbstteststeuereinheit 32 gesteuert, die in dem nichtflüchtigen Speicher 30 abgelegte Parameter des Selbsttests daraus bezie hen kann. Ein Selbsttest- Auslöse- Register 33 ist mit der Schnittstelle 31 verbunden und kann von dem Host-System 25 derart mit einem Wert befüllt werden, dass die Selbsttest steuereinheit 32 zum Durchführen eines Selbsttests veranlasst wird.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 5 ist zusätzlich eine Bewertungseinheit (in Figur 6 nicht explizit dargestellt) in der Selbstteststeuereinheit 32 implementiert, sodass die Selbst teststeuereinheit 32 nicht nur die Einheiten der Sensorelektronik steuert, sondern auch die Bewertung der Funktionsfähigkeit des Sensors durchführt. Hierfür ist die Selbstteststeuer einheit 32 zusätzlich mit dem Ausgang der Kompensationseinheit 28 verbunden. Zudem ist ein Selbstteststatusregister 34 vorhanden, in das die Selbstteststeuereinheit 32 ein Bewer tungsergebnis ablegen kann. Das Host-System 25 kann über die Schnittstelle 31 auf die erfassten Druck- und Temperaturmesswerte in dem Daten- Register 29 sowie den Status des Selbsttests in dem Selbstteststatusregister 34 zugreifen.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 6 ist die Bewertungseinheit (in Figur 6 nicht explizit dargestellt) in dem Host-System 25 implementiert. In diesem Fall ist der nichtflüchtige Spei cher 30 über die Schnittstelle 31 mit dem Host-System 25 verbunden. Über diese Verbin dung kann das Host-System 25 sensorspezifische Informationen aus dem nichtflüchtigen Speicher 30 laden und in dem Daten- Register 29 vorhandene Druck- und Temperatur messwerte bewerten.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

A n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Bewerten der Funktionsfähigkeit eines Sensors, wobei der Sensor (1) eine auslenkbare mikromechanische Sensorstruktur (2) zum Detektieren und Um wandeln einer physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal (36) aufweist und wobei die mikromechanische Sensorstruktur (2) mittels eines Anre gungssignals (35) auslenkbar ist, umfassend die Schritte:
• Erzeugen (Sl) eines ersten Anregungssignals mit einer ersten Amplitude mit tels eines Anregungssignalgenerators (13),
• Ausgeben (S2) des ersten Anregungssignals an die mikromechanische Sen sorstruktur (2) zum Auslenken der mikromechanischen Sensorstruktur (2),
• Erfassen (S3) eines ersten Sensorsignals in Reaktion auf das erste Anre gungssignal,
• Erzeugen (S4) eines zweiten Anregungssignals mit einer zweiten Amplitude mittels des Anregungssignalgenerators (13), wobei die zweite Amplitude von der ersten Amplitude verschieden ist,
• Ausgeben (S5) des zweiten Anregungssignals an die mikromechanische Sen sorstruktur (2) zum Auslenken der mikromechanischen Sensorstruktur (2),
• Erfassen (S6) eines zweiten Sensorsignals in Reaktion auf das zweite Anre gungssignal (35),
• Erzeugen (S7) eines Vergleichsmaßes basierend auf dem ersten Sensorsignal und dem zweiten Sensorsignal und
• Bewerten (S8) der Funktionsfähigkeit des Sensors (1) basierend auf dem Ver gleichsmaß mittels einer Bewertungsfunktion.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Anregungssignal als zeitlich veränderliches, vorzugsweise periodisches Signal er zeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Erzeugens (S7) des Vergleichsmaßes das erste und das zweite Sensorsignal miteinander verglichen wird und das Vergleichsmaß aus einer Differenz zwischen ers tem und zweitem Sensorsignal gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Erzeugens (S7) des Vergleichsmaßes ein mit dem ersten Sensorsignal korres pondierender erster Messwert und ein mit dem zweiten Sensorsignal korrespondie render zweiter Messwert bestimmt wird und das Vergleichsmaß aus einer Differenz des ersten und zweiten Messwerts gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Erzeugens (S10) und Ausgebens eines Anregungssignals und der Schritt des Erfassens (Sil) eines Sensorsignals n Mal wiederholt wird, wobei n eine natürli che Zahl größer als zwei ist, und dass das Erzeugen des Vergleichsmaß basierend auf bis zu n Sensorsignalen durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Bewertens (S8) der Funktionsfähigkeit des Sensors (1) für einen funktions fähigen Sensor entschieden wird, wenn das Vergleichsmaß größer oder kleiner als der mindestens eine Schwellenwert ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt des Bewertens (S8) der Funktionsfähigkeit des Sensors (1) ein Vergleich mit mehreren Schwellenwerten durchgeführt wird, wobei jeder der mehreren Schwellen werte ein unterschiedliches Maß einer Funktionsfähigkeit des Sensors (1) repräsen tiert.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung des Verfahrens durch ein Ereignis, vorzugsweise einen Neustart des Sensors, ein Wechsel eines Betriebsmodus oder einen vordefinierten Wert in einem Register, und/oder periodisch ausgelöst wird.
9. System zum Bewerten der Funktionsfähigkeit eines Sensors, umfassend:
• einen Sensor (1) mit einer auslenkbaren mikromechanischen Sensorstruktur (2) zum Detektieren und Umwandeln einer physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal (36), wobei die mikromechanische Sensorstruk tur (2) mittels eines Anregungssignals (36) auslenkbar ist,
• einen Anregungssignalgenerator (13) zum Erzeugen mindestens eines ersten und eines zweiten Anregungssignals, wobei das erste und das zweite Anre- gungssignal nacheinander an die mikromechanische Sensorstruktur (2) aus- gebbar sind,
• eine Auswerteeinheit (14) zum Erfassen mindestens eines ersten und eines zweiten Sensorsignals, wobei der Sensor das erste Sensorsignal in Reaktion auf das erste Anregungssignal ausgibt und das zweite Sensorsignal in Reakti on auf das zweite Anregungssignal, und
• eine Bewertungseinheit (23), die dazu ausgebildet ist, basierend auf dem ers ten und dem zweiten Sensorsignal ein Vergleichsmaß zu erzeugen und die Funktionsfähigkeit des Sensors (1) basierend auf dem Vergleichsmaß mittels einer Bewertungsfunktion zu bewerten.
10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungssignalgenera tor (13) eine Zerhackerschaltung (18) und mindestens eine Referenzspannungsquelle (15, 16) aufweist, wobei die Zerhackerschaltung (18) eine durch die Referenzspan nungsquelle (15, 16) ausgegebene Referenzspannung in ein Anregungssignal (35) umwandelt, das als Rechtecksignal zwischen der Referenzspannung und einem Low- Spannungspegel wechselt, und wobei der Low-Spannungspegel vorzugsweise gleich 0 Volt oder vorzugsweise gleich der negativen Referenzspannung ist.
11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) durch einen Drucksensor und die physikalische Eingangsgröße durch einen zu mes senden Druck gebildet ist, wobei die mikromechanische Sensorstruktur (2) mindes tens eine Elektrode umfasst, die unter Einwirkung des zu messenden Drucks ausge lenkt wird.
12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch ein Host-System (25), wobei das Host-System (25) über eine Schnittstelle (31) kommunizierend mit der Auswerteeinheit (14) und/oder der Bewertungseinheit verbunden ist, wobei das Host- System (25) dazu ausgebildet ist, ein Bewerten der Funktionsfähigkeit des Sensors (1) anzustoßen und/oder zumindest Teile der Bewertungseinheit zu implementieren.
PCT/EP2021/060369 2020-05-13 2021-04-21 Verfahren und system zum bewerten der funktionsfähigkeit eines sensors WO2021228520A1 (de)

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