WO2023169743A1 - Kapazitiver sensor und verfahren zum betreiben eines kapazitiven sensors - Google Patents

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WO2023169743A1
WO2023169743A1 PCT/EP2023/052182 EP2023052182W WO2023169743A1 WO 2023169743 A1 WO2023169743 A1 WO 2023169743A1 EP 2023052182 W EP2023052182 W EP 2023052182W WO 2023169743 A1 WO2023169743 A1 WO 2023169743A1
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supply line
capacitive
capacitive sensor
circuit
short
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PCT/EP2023/052182
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David SLOGSNAT
Massimiliano Musazzi
Domenico Tangredi
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Robert Bosch Gmbh
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • B81C99/0035—Testing
    • B81C99/0045—End test of the packaged device
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L25/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L25/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency
    • G01L25/003—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency for measuring torque
    • 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
    • G01L27/007—Malfunction diagnosis, i.e. diagnosing a sensor defect
    • 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
    • G01L9/12—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 by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults

Definitions

  • the invention relates to a capacitive sensor.
  • the invention further relates to a method for operating a capacitive sensor.
  • the invention further relates to a computer program product.
  • Pressure sensors in devices such as smartphones, smartwatches, fitness trackers and wearables as well as in the LoT market are becoming increasingly popular. Use cases are not only limited to weather detection and altitude estimation, but are also expanding with new ones coming to market such as: B. the high-precision floor level detection for 911 emergency call locations.
  • a capacitive sensor comprising: a MEMS element with a capacitive Wheatstone bridge circuit; and an ASIC element, wherein the ASIC element is designed to determine a measured value of at least one reference capacitance of the capacitive Wheatstone bridge circuit, wherein control signals for determining the reference capacitance can be applied to each supply line of the capacitive Wheatstone bridge circuit, wherein the ASIC element is designed to read and evaluate the measured values of the reference capacitances, a resistance value of at least one short-circuit resistor of the capacitive sensor being able to be determined from the values of the reference capacitances.
  • the proposed method takes advantage of the fact that a measured capacitance value is falsified by a short-circuit resistor.
  • One is not interested in the value of the measured reference capacitances per se; rather, the values of the reference capacitors are used as indicators, so to speak, to detect short circuits that may occur due to production.
  • evaluation software can be hard-wired into an ASIC, with which a self-test of the capacitive sensor is carried out.
  • a capacitive sensor is advantageously provided with which a self-test can be carried out in a simple manner.
  • no additional dedicated detection component is required because Capacitive pressure sensor can be used with existing hardware components. As a result, it can advantageously be determined whether a measuring process with the capacitive sensor may be subject to errors.
  • the task is solved according to a second aspect with a method for operating a capacitive sensor, comprising the steps:
  • the proposed method can be used in production or in the field, with the sensor (e.g. an impact sensor in the automotive sector) being replaced in the event of a fault in order to avoid consequential damage.
  • the sensor e.g. an impact sensor in the automotive sector
  • the task is solved according to a third aspect with a computer program product with program code means, set up to carry out the proposed method when it runs on a proposed capacitive sensor or is stored on a computer-readable data carrier.
  • a first short-circuit resistance between a first supply line of the capacitive Wheatstone bridge circuit and ground potential a second short-circuit resistance between a second supply line of the capacitive Wheatstone bridge circuit and ground potential and a third short-circuit resistance between the first supply line and the second ver- supply line of the capacitive Wheatstone 'see bridge circuit can be determined.
  • a further advantageous development of the capacitive sensor provides that a serial resistance in the first supply line and/or the second supply line can also be determined.
  • a further advantageous development of the capacitive pressure sensor provides that a control signal for controlling measuring capacitances can be generated using the ASIC element. As a result, circuitry expenditure can be advantageously minimized.
  • a further advantageous development of the capacitive sensor provides that a defined reference value of a relation between the determined reference capacitances is used to determine the at least one short-circuit resistance (RKS).
  • the at least one short-circuit resistance can be determined in a range between approximately 100 kQ and approximately 1 MQ.
  • Disclosed method features result analogously from corresponding disclosed device features and vice versa. This means in particular that features, technical advantages and designs relating to the capacitive sensor result in an analogous manner from corresponding designs, features and advantages relating to the method for operating a capacitive sensor and vice versa.
  • FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of a proposed capacitive sensor
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view through the embodiment of the proposed capacitive sensor from FIG. 1;
  • Fig. 3 is a basic block diagram of the proposed capacitive
  • FIG. 6 shows a circuit diagram with various resistances that can be determined using the proposed method
  • Fig. 8 is a time flow diagram with a basic sequence of the proposed method for operating a capacitive sensor.
  • a capacitive sensor is proposed, which can be designed, for example, as a barometric capacitive pressure sensor.
  • pressure is detected using a MEMS element in which both variable capacitances (pressure measuring elements) and fixed reference capacitances are installed, and which are arranged in a capacitive Wheatstone bridge circuit. While some fault cases and capacitive sensor failures can be detected during the measurement of the entire Wheatstone bridge, individual capacitance measurements are suggested with the proposed capacitive sensor to find more potential problems.
  • no dedicated elements or signal processing chains are advantageously necessary; a proposed test process can be implemented, for example, with a specific configuration of the ASIC element.
  • an M EMS element 10 is arranged on an ASIC element 20.
  • a damping element 15 is preferably arranged between the MEMS element 10 and the ASIC element 20, for example in the form of Semicosil.
  • the capacitive sensor 100 and the ASIC element 20 are covered and thereby protected by a cap element 30 (e.g. metal cover).
  • Other embodiments of the capacitive sensor 100 with other layers of MEMS element 10 and ASIC element 20 are also conceivable and not shown in the figures.
  • Fig. 2 shows a cross-sectional view of the capacitive sensor 100 from Fig. 1.
  • Barometric pressure is detected using the MEMS element 10, in which a complete capacitive Wheatstone bridge circuit 21 is implemented, as shown in Fig. 3.
  • Two measuring elements of the capacitive bridge circuit 21 are variable measuring capacitances CMI, CM2 and are intended for pressure measurement.
  • the other two elements represent capacitances with a fixed capacitance value, which are used in the proposed capacitive sensor 100 as reference capacitances CRefi, CRef2.
  • bonding wires are used, in particular for electrical contacting between the ASIC element 20 and the substrate 1 (circuit board) arranged underneath and between the ASIC element 20 and the MEMS element 10. Furthermore, the bonding wires can also be used to electrically connect the ASIC element 20 to the capacitive bridge circuit 21.
  • the capacitive bridge circuit 21 is controlled by electrical control signals A1, A2, which can be, for example, square-wave signals with frequencies of approximately 30 kHz to approximately 70 kHz.
  • a first electrical control signal A1 is transmitted to a first supply line D1 and a second electrical measuring signal signal M2 is applied to a second supply line D2 of the capacitive bridge circuit 21.
  • Fig. 3 shows a conventional capacitive sensor 100 with the capacitive bridge circuit 21 in “normal operation”, in which all bridge capacitances are determined for the purpose of barometric pressure measurement.
  • a first measuring capacitance CMI can be seen, which is controlled by a control element (e.g. ASIC element 20) with the first control signal A1.
  • a capacitance value of the first measuring element CMI is determined, for example by a calculation using a downstream evaluation element 40 (e.g. microcomputer) of the ASIC element 20.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the proposed capacitive sensor 100 in a test mode in which only a single reference capacitance ÜRefi, CRef2 is determined one after the other, in which case only the second reference capacitance CRef2 is determined.
  • a second control signal A2 is applied to the second supply line D2 and a measurement signal of the second reference capacitance CRef2 is read out at a connection S1, with a connection S2 being separated from the evaluation element 40 by an open switch element 11.
  • the first supply line D1 is connected to ground potential GND during the measuring process.
  • the evaluation element 40 comprises an amplification element 41 (e.g. low noise amplifier), a downstream A/D converter 42 and a downstream digital signal processor 43.
  • amplification element 41 e.g. low noise amplifier
  • A/D converter 42 e.g., a downstream A/D converter
  • downstream digital signal processor 43 e.g., a downstream digital signal processor
  • FIG. 5 shows the proposed capacitive sensor 100 also in test mode, in which case only the first reference capacitance ÜRefi is determined.
  • a first control signal A1 is applied to the first supply line D1 and a measurement signal of the first reference capacitance ÜRefi is read out at a connection S2, with a connection S1 being separated from the evaluation element 40 by an open switch element 12.
  • the second supply line D2 is connected to ground potential GND.
  • the measurement signal becomes Evaluation is fed to the evaluation element 40.
  • the second supply line D2 is connected to ground potential GND during the measuring process.
  • Fig. 6 shows the capacitive Wheatstone bridge circuit 21 with potential low-resistance short-circuit resistors RKSI ... RKSII, which can be determined using the proposed method.
  • Resistance values of the short-circuit resistors can, for example, be between approximately 100 kQ and approximately 1 MQ, but other ohmic resistance values of the low-resistance short-circuit resistors RKS are also conceivable.
  • Some system failures can be detected by direct measurement of the capacitive Wheatstone bridge circuit 21. Others cannot, as seen in short circuits in the driving portion of the Wheatstone capacitive bridge circuit 21. These short circuits can significantly reduce the bandwidth of the drive signal, which can result in excitation of the resonant modes of the capacitive sensor 100 and increase the system settling time. This can disadvantageously lead to, for example, offset errors and/or an increase in noise. Since the occurrence of such effects can also depend on the temperature and pressure, they can sometimes only be recognized with great effort.
  • the measured value of the corresponding reference capacitance Cpen is reduced by a reduction factor R according to the following formula:
  • the capacitances and the series resistances Rs are typically matched due to manufacturing. If a difference between the measured values exceeds a certain reference value, it can be assumed that one or more electrical short circuits are present.
  • the capacitive sensor 100 is identified as a good part (there is no short circuit).
  • Fig. 7 shows a flowchart of error checking for short circuits between the first supply line D1 or the second supply line D2 and ground potential GND:
  • a measurement of the first reference capacitance ÜRefi is carried out.
  • a measurement of the second reference capacitance ÜRef2 is carried out.
  • a step 230 the reference capacities ÜREfi, ÜRef2 are compared with one another.
  • a step 240 a check is carried out as to whether a result of the following formula:
  • CRefl — CRef2 / CRefl (1) is greater than a predefined reference value R w .
  • the capacitive sensor 100 has at least one short-circuit resistor RKS.
  • FIG. 8 shows a sequence of a method for determining a short circuit between the first and second supply lines D1, D2.
  • the measured value of both measuring capacitances CMI, CM2 is reduced by a reduction factor R in the following way:
  • the short-circuit resistance can be determined by comparing one and/or both values directly with a reference value Rw.
  • This reference value Rw can be a fixed value for the capacitive sensor 100, with the reference value Rw preferably being determined for individual production batches of the capacitive sensor 100.
  • a measurement of the first reference capacitance CRefi is carried out.
  • a measurement of the second reference capacitance CRef2 is carried out.
  • a step 330 the reference capacities ÜRefi, ÜRef2 are compared with one another.
  • a check is carried out as to whether all conditions of the following formula are met:
  • the capacitive sensor 100 has at least one short-circuit resistor RKS.
  • the proposed method can advantageously be used in a final test of a manufacturing process of capacitive pressure sensors as well as in the normal operation of such sensors, but can also be used for other capacitive sensors.
  • An example of generating the fixed value for a production batch would be, for example, determining a distribution of the reference capacities ÜRefi, ÜRef2 and setting a limit value to a value so that a specific distribution of the reference capacities is identified as a good part. For example, this could be a 6-sigma normal distribution.
  • the proposed method can, for example, be carried out in the form of a self-test during production tests. It could also be run later in the field become.
  • the comparison value/threshold value can be stored in a non-volatile memory in the production unit.
  • the proposed method can be used, for example, as a test procedure as part of production tests to sort out faulty sensors. Additionally, it can optionally also be used later in the product as a test to detect errors during the life of the capacitive sensor 100.
  • the explained detection principle can also be applied to embodiments of the capacitive sensor 100 that differ from the one previously explained, e.g. for capacitive sensors 100 that are characterized by a different number of pads and with a different position of the wire bonds between the bridge circuit 21 of the MEMS element 10 and the ASIC element 20 are marked.
  • the electrical control signal A1, A1 can be designed, for example, as an electrical current, voltage or charge signal, whereby a capacitance value of the measuring capacitance CM1, CM2 can be determined.
  • a signal shape of the control signal A can be, for example, rectangular, sinusoidal or otherwise.
  • the proposed method can preferably be designed as software that is at least partially executed on the ASIC element 20 or at least partially externally thereof, thereby supporting easy adaptability of the method.
  • the proposed method can be implemented at least partially or completely in hardware.
  • the proposed method can advantageously be implemented as a computer program which runs on the ASIC element 20 of the capacitive sensor 100 or is stored on a computer-readable data carrier.
  • the present invention proposes a capacitive sensor and a method for operating a capacitive pressure sensor, with which self-testing is possible in a simple manner, which is advantageous a status of the capacitive sensor and the admissibility of measurement processes can be assessed.

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Abstract

Kapazitiver Sensor (100), aufweisend: - ein MEMS-Element (10) mit einer kapazitiven Wheatstone´schen Brückenschaltung (21); und - ein ASIC-Element (20), wobei das ASIC-Element (20) ausgebildet ist, einen Messwert wenigstens einer Referenzkapazität der kapazitiven Wheatstone´schen Brückenschaltung (21) zu ermitteln, wobei Ansteuersignale (A1, A2) zur Ermittlung der Referenzkapazität (CRef1, CRef2) auf jeweils einer Versorgungsleitung (D1, D2) der kapazitiven Wheatstone´schen Brückenschaltung (21) anlegbar sind, wobei das ASIC-Element (20) ausgebildet ist, die Messwerte der Referenzkapazitäten (CRef1, CRef2) auszulesen und auszuwerten, wobei aus den Werten der Referenzkapazitäten (CRef1, CRef2) ein Widerstandswert wenigstens eines Kurzschlusswiderstands (RKS) des kapazitiven Sensors (100) ermittelbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Kapazitiver Sensor und Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Drucksensoren in Geräten wie z.B. Smartphones, Smartwatches, Fitness- Trackern und Wearables sowie im loT-Markt werden immer beliebter. Anwendungsfälle beschränken sich nicht nur auf die Wettererkennung und eine Schätzung der Höhe, sondern werden auch durch neue erweitert, die auf den Markt kommen, wie z. B. die hochpräzise Bodenstanderkennung für 911 -Notrufstandorte.
Für eine zuverlässige Funktionalität wird es immer wichtiger, die Funktionalität über die gesamte Lebensdauer sicherzustellen. Ein wichtiges Merkmal hierfür ist es, Fehlfunktionen des Gerätes mittels eines Selbsttests erkennen zu können. Es ist bekannt, dass Drucksensoren der Umwelt ausgesetzt sind und daher Flüssigkeiten in Kontakt mit ihnen geraten können. Dies kann nachteilig Offsets in den Druckmessungen aufgrund des Vorhandenseins von Masse in Form der Flüssigkeit verursachen, wobei die Flüssigkeit zum Beispiel als Wasser, Öl, Schweiß, usw. ausgebildet sein kann.
Bekannt sind Selbsttests bei Sensoren, bei denen mittels einer Anregung eines MEMS-Elements eine nachfolgende Überprüfung von Messwerten durchgeführt wird. US 2010/180687 A1 offenbart einen Drucksensor mit schaltbaren Sensorelementen, bei dem Referenzelemente indirekt ausgelesen werden, indem diese zum Selbsttest zwischen Zweigen einer Wheatstone 'sehen Brücke umgeschaltet werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten kapazitiven Sensor bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem kapazitiven Sensor, aufweisend: ein MEMS-Element mit einer kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung; und ein ASIC-Element, wobei das ASIC-Element ausgebildet ist, einen Messwert wenigstens einer Referenzkapazität der kapazitiven Wheatsto- ne'schen Brückenschaltung zu ermitteln, wobei Ansteuersignale zur Ermittlung der Referenzkapazität auf jeweils einer Versorgungsleitung der kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung anlegbar sind, wobei das ASIC-Element ausgebildet ist, die Messwerte der Referenzkapazitäten auszulesen und auszuwerten, wobei aus den Werten der Referenzkapazitäten ein Widerstandswert wenigstens eines Kurzschlusswiderstands des kapazitiven Sensors ermittelbar ist.
Ausgenutzt wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren, dass ein gemessener Kapazitätswert durch einen Kurzschluss-Widerstand verfälscht wird. An dem Wert der gemessenen Referenzkapazitäten ist man an sich gar nicht interessiert, sondern es werden die Werte der Referenzkondensatoren gewissermaßen als Indikatoren genutzt, um Kurzschlüsse zu erkenn, die produktionsbedingt vorliegen können. Eine Auswertungssoftware kann z.B. in einem ASIC festverdrahtet sein, mit der ein Selbsttest des kapazitiven Sensors gemacht wird.
Vorteilhaft wird auf diese Art und Weise ein kapazitiver Sensor bereitgestellt, mit dem ein Selbsttest auf einfache Weise durchgeführt werden kann. Vorteilhaft ist dafür keine zusätzliche dedizierte Detektionskomponente erforderlich, weil der kapazitive Drucksensor mit bereits vorhandenen hardwaretechnischen Komponenten genutzt werden kann. Im Ergebnis kann dadurch vorteilhaft festgestellt werden, ob ein Messvorgang mit dem kapazitiven Sensor eventuell fehlerbehaftet sein kann.
Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors, aufweisend die Schritte:
- Anlegen eines Ansteuersignals an eine Versorgungsleitung einer kapazitiven Wheatstone'schen Brückenschaltung;
Ermitteln von Kapazitätswerten von Referenzkapazitäten kapazitiven Wheatstone'schen Brückenschaltung;
- Auswerten der ermittelten Kapazitätswerte von Referenzkapazitäten kapazitiven Wheatstone'schen Brückenschaltung; und
Ermitteln wenigstens eines Kurzschlusswiderstands aus den ausgewerteten Kapazitätswerten der Referenzkapazitäten anhand eines Vergleichs mit einem definierten Referenzwert.
Das vorgeschlagene Verfahren kann in der Fertigung oder im Feld genutzt werden, wobei in einem Fehlerfall der Sensor (z.B. ein Aufprallsensor im Automotive Bereich) getauscht wird, um dadurch Folgeschäden zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt gelöst mit einem Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens, wenn es auf einem vorgeschlagenen kapazitiven Sensor abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen des vorgeschlagenen kapazitiven Sensors und des vorgeschlagenen Verfahrens sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Vorteilhafte Weiterbildungen des kapazitiven Sensors sehen vor, dass ein erster Kurzschlusswiderstand zwischen einer ersten Versorgungsleitung der kapazitiven Wheatstone'schen Brückenschaltung und Massepotential, ein zweiter Kurzschlusswiderstand zwischen einer zweiten Versorgungsleitung der kapazitiven Wheatstone'schen Brückenschaltung und Massepotential und ein dritter Kurzschlusswiderstand zwischen der ersten Versorgungsleitung und der zweiten Ver- sorgungsleitung der kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung ermittelbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des kapazitiven Sensors sieht vor, dass ferner auch ein serieller Widerstand in der ersten Versorgungsleitung und/oder der zweiten Versorgungsleitung ermittelbar ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des kapazitiven Drucksensors sieht vor, dass ein Ansteuersignal zum Ansteuern von Messkapazitäten mittels des ASIC- Elements generierbar ist. Dadurch kann ein schaltungstechnischer Aufwand vorteilhaft minimiert sein.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des kapazitiven Sensors sieht vor, dass ein definierter Referenzwert einer Relation zwischen den ermittelten Referenzkapazitäten zum Ermitteln des wenigstens einen Kurzschlusswiderstands (RKS) verwendet wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des kapazitiven Sensors sehen vor, dass der wenigstens eine Kurzschlusswiderstands in einem Bereich zwischen ca. 100 kQ und ca. 1 MQ ermittelbar ist.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offenbarten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend den kapazitiven Sensor in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen kapazitiven Sensors;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch die Ausführungsform des vorgeschlagenen kapazitiven Sensors von Fig. 1 ;
Fig. 3 ein prinzipielles Blockschaltbild des vorgeschlagenen kapazitiven
Sensors in einem Normalbetrieb;
Fig. 4, 5 prinzipielle Schaltbilder des vorgeschlagenen kapazitiven Sensors in einem Testbetrieb;
Fig. 6 ein Schaltbild mit diversen Widerständen, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren ermittelt werden können;
Fig. 7 ein zeitliches Ablaufdiagramm mit einem prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zum Betreiben eines kapazitiven Sensors; und
Fig. 8 ein zeitliches Ablaufdiagramm mit einem prinzipiellen Ablauf des vorgeschlagenen Verfahrens zum Betreiben eines kapazitiven Sensors.
Beschreibung von Ausführungsformen
Vorgeschlagen wird ein kapazitiver Sensor, der beispielsweise als ein barometrischer kapazitiver Drucksensor ausgebildet sein kann. Bei einem derartigen kapazitiven Sensor wird Druck mittels eines MEMS-Elements erfasst, in dem sowohl variable Kapazitäten (Druckmesselemente) als auch feste Referenzkapazitäten verbaut sind, und die in einer kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung angeordnet sind. Während einige Fehlerfälle und Ausfälle des kapazitiven Sensors während der Messung der gesamten Wheatstone 'sehen Brücke erkannt werden können, werden mit dem vorgeschlagenen kapazitiven Sensor Einzelkapazitätsmessungen vorgeschlagen, um mehr potenzielle Probleme zu finden. Mit dem vorgeschlagenen kapazitiven Sensor sind vorteilhaft keine dedizierten Elemente oder Signalverarbeitungsketten notwendig, ein vorgeschlagenen Testprozess kann z.B. mit einer spezifischen Konfiguration des ASIC-Elements realisiert werden.
In der Ausführungsform des vorgeschlagenen kapazitiven Sensors 100 von Fig. 1 erkennt man, dass ein M EMS- Element 10 auf einem ASIC-Element 20 angeordnet ist. Zwischen dem MEMS-Element 10 und dem ASIC-Element 20 ist vorzugsweise ein Dämpfungselement 15 angeordnet, z.B. in Form von Semicosil. Der kapazitive Sensor 100 und das ASIC-Element 20 sind mittels eines Kappenelements 30 (z.B. Metalldeckel) abgedeckt und dadurch geschützt. Denkbar und nicht in Figuren dargestellt sind auch andere Ausführungsformen des kapazitiven Sensors 100 mit anderen Lagen von MEMS-Element 10 und ASIC-Element 20.
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht des kapazitiven Sensors 100 von Fig. 1.
Barometrischer Druck wird mit Hilfe des MEMS-Elements 10 erfasst, in dem eine vollständige kapazitive Wheatstone 'sehe Brückenschaltung 21 implementiert ist, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Zwei Messelemente der kapazitiven Brückenschaltung 21 sind darin variable Messkapazitäten CMI , CM2 und sind zur Druckmessung vorgesehen. Die anderen beiden Elemente repräsentieren Kapazitäten mit festem Kapazitätswert, die beim vorgeschlagenen kapazitiven Sensor 100 als Referenzkapazitäten CRefi, CRef2 verwendet werden.
Zum Zwecke von elektrischer Kontaktierung werden Bonddrähte (nicht dargestellt) verwendet, insbesondere zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem ASIC-Element 20 und dem darunter angeordneten Substrat 1 (Leiterplatte) sowie zwischen dem ASIC-Element 20 und dem MEMS-Element 10. Ferner können die Bonddrähte auch verwendet werden, um das ASIC-Element 20 mit der kapazitiven Brückenschaltung 21 elektrisch zu verbinden.
Die kapazitive Brückenschaltung 21 wird von elektrischen Ansteuersignalen A1 , A2 angesteuert, die beispielsweise Rechtecksignale mit Frequenzen von ca. 30 kHz bis ca. 70kHz sein können. Dabei wird ein erstes elektrisches Ansteuersignal A1 auf einer ersten Versorgungsleitung D1 und ein zweites elektrisches Mess- signal M2 auf einer zweiten Versorgungsleitung D2 der kapazitiven Brückenschaltung 21 angelegt.
Fig. 3 zeigt einen herkömmlichen kapazitiven Sensor 100 mit der kapazitiven Brückenschaltung 21 in einem „Normalbetrieb“, bei dem zum Zwecke einer barometrischen Druckmessung alle Brückenkapazitäten ermittelt werden. Man erkennt eine erste Messkapazität CMI , die von einem Ansteuerelement (z.B. ASIC- Element 20) mit dem ersten Ansteuersignal A1 angesteuert wird. Dabei wird ein Kapazitätswert des ersten Messelements CMI ermittelt, z.B. durch eine Berechnung mittels eines nachgeschalteten Auswertungselements 40 (z.B. Mikrorechner) des ASIC-Elements 20.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des vorgeschlagenen kapazitiven Sensors 100 in einem Testmodus, bei dem nacheinander nur jeweils eine einzelne Referenzkapazität ÜRefi, CRef2 ermittelt wird, wobei in diesem Fall nur die zweite Referenzkapazität CRef2 ermittelt wird. Zu diesem Zweck wird ein zweites Ansteuersignal A2 an die zweite Versorgungsleitung D2 angelegt und ein Messsignal der zweiten Referenzkapazität CRef2 an einem Anschluss S1 ausgelesen, wobei ein Anschluss S2 durch ein geöffnetes Schalterelement 11 vom Auswertungselement 40 getrennt ist. Die erste Versorgungsleitung D1 wird während des Messvorgangs auf Massepotential GND gelegt.
Das Auswertungselement 40 umfasst ein Verstärkungselement 41 (z.B. low noise amplifier), einen nachgeschalteten A/D-Wandler 42 und einen nachgeschalteten digitalen Signalprozessor 43. Die Funktionsweise eines derartigen Auswerteelements 40 ist an sich bekannt und wird deshalb hier nicht näher erläutert.
Fig. 5 zeigt den vorgeschlagenen kapazitiven Sensor 100 ebenfalls im Testmodus, wobei in diesem Fall nur die erste Referenzkapazität ÜRefi ermittelt wird. Zu diesem Zweck wird ein erstes Ansteuersignal A1 an die erste Versorgungsleitung D1 angelegt und ein Messsignal der ersten Referenzkapazität ÜRefi an einem Anschluss S2 ausgelesen, wobei ein Anschluss S1 durch ein geöffnetes Schalterelement 12 vom Auswertungselement 40 getrennt ist. Die zweite Versorgungsleitung D2 wird dabei auf Massepotential GND gelegt. Das Messsignal wird zur Auswertung an das Auswerteelement 40 zugeführt. Die zweite Versorgungsleitung D2 wird während des Messvorgangs auf Massepotential GND gelegt. Fig. 6 zeigt die kapazitive Wheatstone 'sehe Brückenschaltung 21 mit potenziellen niederohmigen Kurzschlusswiderständen RKSI ... RKSII, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren ermittelbar sind. Diese können entweder zwischen der ersten Versorgungsleitung D1 und Massepotential GND, und/oder zwischen der zweiten Versorgungsleitung D2 und Massepotential GND und/oder zwischen der ersten Versorgungsleitung D1 und der zweiten Versorgungsleitung D2 liegen. Widerstandswerte der Kurzschlusswiderstände können beispielsweise zwischen ca. 100 kQ und ca. 1 MQ liegen, denkbar sind aber auch andere Ohm'sche Widerstandswerte der niederohmigen Kurzschlusswiderstände RKS.
Einige Ausfälle des Systems können durch direkte Messung der kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung 21 erkannt werden. Andere können das nicht, wie Kurzschlüsse im Antriebsteil der kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung 21. Diese Kurzschlüsse können die Bandbreite des Ansteuersignals erheblich reduzieren, was zu einer Anregung der Resonanzmodi des kapazitiven Sensors 100 führen und die Einschwingzeit des Systems verlängern kann. Dies kann nachteilig z.B. zu Offset-Fehlern und/oder einer Zunahme von Rauschen führen. Da das Auftreten solcher Effekte auch von der Temperatur und dem Druck abhängen kann, sind sie unter Umständen nur mit größerem Aufwand zu erkennen.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich solche Kurzschlüsse leicht de- tektieren, indem die Referenzkapazitäten CRen, CRef2 einzeln gemessen werden.
Die Kurzschlüsse gemäß Abbildung 4 liefern unterschiedliche Messwerte für di beiden Referenzkapazitäten Cpen , CRef2.
Für einen Kurzschluss zwischen der ersten Versorgungsleitung D1 (oder der zweiten Versorgungsleitung D2) nach Massepotential GND wird der Messwert der entsprechenden Referenzkapazität Cpen (bzw. CRef2) um einen Reduktionsfaktor R nach folgender Formel reduziert:
R = 1/2 * Rs/ (Rs + RKS) (1) mit:
RKS Ohm 'scher Kurzschlusswiderstand
Rs ... . Ohm 'scher Serienwiderstand zwischen dem Antriebskreis und der ersten bzw. zweiten Versorgungsleitung D1 , D2
Die Kapazitäten und die Serienwiderstände Rs werden typischerweise aufgrund der Herstellung aufeinander abgestimmt. Falls also eine Differenz zwischen den Messwerten einen bestimmten Referenzwert überschreitet, kann davon ausgegangen werden, dass ein oder mehrere elektrische Kurzschlüsse vorhanden sind.
In einer typischen Anwendung des vorgeschlagenen kapazitiven Sensors 100 genügt es daher, einen Unterschied zwischen den Referenzkapazitäten ÜRefi , CRef2 zu ermitteln und zu überprüfen. Dies kann z.B. durch Auslesen der beiden Referenzkapazitäten ÜRefi , ÜRef2 erfolgen, wobei ein Berechnen der absoluten oder relativen Differenz zwischen den beiden Referenzkapazitäten ÜRefi , ÜRef2 und ein Vergleichen mit einem vordefinierten Referenzwert Rw durchgeführt wird.
Im Falle, dass der vordefinierte Referenzwert Rw überschritten wird, wird ein Fehlerfall erkannt (wenigstens ein Kurzschluss liegt vor). Wenn der Referenzwert Rw unterschritten wird, wird der kapazitive Sensor 100 als Gutteil identifiziert (kein Kurzschluss liegt vor).
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm der Fehlerprüfung für Kurzschlüsse zwischen der ersten Versorgungsleitung D1 oder der zweiten Versorgungsleitung D2 und Massepotential GND:
In einem Schritt 210 wird eine Messung der ersten Referenzkapazität ÜRefi durchgeführt.
In einem Schritt 220 wird eine Messung der zweiten Referenzkapazität ÜRef2 durchgeführt.
In einem Schritt 230 werden die Referenzkapazitäten ÜREfi , ÜRef2 miteinander verglichen. In einem Schritt 240 wird eine Prüfung durchgeführt, ob ein Ergebnis der folgenden Formel:
CRefl — CRef2 / CRefl (1) größer ist als ein vordefinierter Referenzwert Rw.
Wenn dies nicht der Fall ist, wird in einem Schritt 250 erkannt, dass der kapazitive Sensor 100 fehlerfrei ist.
Wenn dies der Fall ist, wird in einem Schritt 260 erkannt, dass der kapazitive Sensor 100 wenigstens einen Kurzschlusswiderstand RKS aufweist.
Fig. 8 zeigt einen Ablauf eines Verfahrens zum Ermitteln eines Kurzschlusses zwischen der ersten und zweiten Versorgungsleitung D1 , D2.
Für eine Ermittlung eines Kurzschlusses zwischen der ersten Versorgungsleitung D1 und der zweiten Versorgungsleitung D2 wird der Messwert beider Messkapazitäten CMI , CM2 um einen Reduktionsfaktor R in folgender Weise reduziert:
R = Rs / (Rs + RKS / 2) (2)
In diesem Fall kann der Kurzschlusswiderstand ermittelt werden, indem ein und/oder beide Werte direkt mit einem Referenzwert Rw verglichen werden. Dieser Referenzwert Rw kann für den kapazitiven Sensor 100 ein fester Wert sein, wobei der Referenzwert Rw vorzugsweise für einzelne Produktionschargen des kapazitiven Sensors 100 bestimmt wird.
Die angegebenen Formeln (1), (2) sind lediglich beispielhaft und können durch andere Formeln ersetzt und/oder ergänzt werden.
In einem Schritt 310 wird eine Messung der ersten Referenzkapazität CRefi durchgeführt. In einem Schritt 320 wird eine Messung der zweiten Referenzkapazität CRef2 durchgeführt.
In einem Schritt 330 werden die Referenzkapazitäten ÜRefi , ÜRef2 miteinander verglichen.
In einem Schritt 240 wird eine Prüfung durchgeführt, ob alle Bedingungen der folgenden Formel erfüllt sind:
ÜRefi < oberer Schwellwert UND ÜRefi > unterer Schwellwert UND CRef2 < oberer Schwellwert UND CRef2 > oberer Schwellwert
Falls alle vier Bedingungen erfüllt sind, wird in einem Schritt 360 festgestellt, dass der kapazitive Sensor 100 fehlerfrei ist.
Falls die vier Bedingungen nicht erfüllt sind, wird in einem Schritt 350 erkannt, dass der kapazitive Sensor 100 wenigstens einen Kurzschlusswiderstand RKS aufweist.
Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren in einem Endtest eines Herstellungsprozesses von kapazitiven Drucksensoren sowie im Normalbetrieb derartiger Sensoren verwendet werden, kann aber auch für andere kapazitive Sensoren verwendet werden.
Ein Beispiel zum Generieren des festen Werts für eine Produktionscharge wäre beispielsweise eine Ermittlung einer Verteilung der Referenzkapazitäten ÜRefi , ÜRef2 und einen Grenzwert auf einen Wert festzulegen, sodass eine bestimmte Verteilung der Referenzkapazitäten als Gutteil identifiziert wird. Beispielsweise könnte dies eine 6-Sigma-Normalverteilung sein.
Das vorgeschlagene Verfahren kann z.B. in Form eines Selbsttests während der Produktionstests ausgeführt werden. Es könnte auch später im Feld ausgeführt werden. In diesem Fall kann der Vergleichswert/Schwellenwert in der Produktionseinheit in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden.
Das vorgeschlagene Verfahren kann z.B. als Testverfahren im Rahmen von Produktionstests verwendet werden, um fehlerhafte Sensoren auszusortieren. Zusätzlich kann es optional kann auch später im Produkt als Test verwendet werden, um Fehler während der Lebensdauer des kapazitiven Sensors 100 zu erkennen.
Das erläuterte Detektionsprinzip kann auch für Ausführungsformen des kapazitiven Sensors 100 angewendet werden, die sich von der zuvor erläuterten unterscheiden, z.B. für kapazitive Sensoren 100, die durch eine andere Anzahl von Pads und mit einer unterschiedlichen Position der Drahtbonds zwischen der Brückenschaltung 21 des MEMS-Elements 10 und dem ASIC-Element 20 gekennzeichnet sind.
Das elektrische Ansteuersignal A1 , A1 kann bei allen erläuterten Varianten z.B. als ein elektrisches Strom-, Spannungs- oder Ladungssignal ausgebildet sein, wodurch ein Kapazitätswert der Messkapazität CM1 , CM2 ermittelt werden kann. Eine Signalform des Ansteuersignals A kann dabei z.B. rechteckförmig, sinusförmig oder sonst wie ausgebildet sein.
Das vorgeschlagene Verfahren kann vorzugsweise als eine wenigstens teilweise auf dem ASIC-Element 20 oder wenigstens teilweise extern davon ausgeführte Software ausgebildet sein, wodurch eine einfache Adaptierbarkeit des Verfahrens unterstützt ist. Alternativ kann das vorgeschlagene Verfahren wenigstens teilweise oder auch vollständig in Hardware realisiert sein.
Vorteilhaft kann das vorgeschlagene Verfahren als ein Computerprogramm realisiert werden, welches auf dem ASIC-Element 20 des kapazitiven Sensors 100 abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein kapazitiver Sensor und ein Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Drucksensors vorgeschlagen, mit denen auf einfache Weise ein Selbsttest möglich ist, wodurch vorteilhaft ein Status des kapazitiven Sensors und eine Zulässigkeit von Messvorgängen beurteilt werden können.
Der Fachmann wird die Merkmale der Erfindung in geeigneter Weise abändern und/oder miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Claims

Ansprüche
1. Kapazitiver Sensor (100), aufweisend: ein MEMS-Element (10) mit einer kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung (21); und ein ASIC-Element (20), wobei das ASIC-Element (20) ausgebildet ist, einen Messwert wenigstens einer Referenzkapazität (ÜRefi , ÜRef2) der kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung (21) zu ermitteln, wobei Ansteuersignale (A1, A2) zur Ermittlung der Referenzkapazität (ÜRefi , CRef2) auf jeweils einer Versorgungsleitung (D1 , D2) der kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung (21) anlegbar sind, wobei das ASIC-Element (20) ausgebildet ist, die Messwerte der Referenzkapazitäten (ÜRefi , CRef2) auszulesen und auszuwerten, wobei aus den Werten der Referenzkapazitäten (ÜRefi , ÜRef2) ein Widerstandswert wenigstens eines Kurzschlusswiderstands (RKS) des kapazitiven Sensors (100) ermittelbar ist.
2. Kapazitiver Sensor (100) nach Anspruch 1 , wobei ein erster Kurzschlusswiderstand (RKSI) zwischen einer ersten Versorgungsleitung (D1) der kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung und Massepotential (GND), ein zweiter Kurzschlusswiderstand (RKS2) zwischen einer zweiten Versorgungsleitung (D2) der kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung und Massepotential (GND) und ein dritter Kurzschlusswiderstand (RKSS) zwischen der ersten Versorgungsleitung (D1) und der zweiten Versorgungsleitung (D2) der kapazitiven Wheatstone 'sehen Brückenschaltung (21) ermittelbar ist.
3. Kapazitiver Sensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein serieller Widerstand (Rs) in der ersten Versorgungsleitung (D1) und/oder der zweiten Versorgungsleitung (D2) ermittelbar ist. Kapazitiver Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansteuersignal (A1 , A2) zum Ansteuern von Messkapazitäten (CMI , CM2) mittels des ASIC-Elements (20) generierbar ist. Kapazitiver Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein definierter Referenzwert (Rw) einer Relation zwischen den ermittelten Referenzkapazitäten (ÜRefi, ÜReß) zum Ermitteln des wenigstens einen Kurzschlusswiderstands (RKS) verwendet wird. Kapazitiver Sensor (100), wobei der wenigstens eine Kurzschlusswiderstands (RKS) in einem Bereich zwischen ca. 100 kQ und ca. 1 MQ ermittelbar ist. Kapazitiver Sensor (100), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Ermittlung einer zweiten Referenzkapazität (ÜRef2) ein zweites Ansteuersignal (A2) an die zweite Versorgungsleitung (D2) anlegbar und ein Messsignal der zweiten Referenzkapazität (CRef2) an einem ersten Anschluss (S1) auslesbar ist, wobei ein zweiter Anschluss (S2) durch ein geöffnetes Schalterelement (11) von einem Auswertungselement (40) getrennt ist und die erste Versorgungsleitung (D1) während des Messvorgangs auf Massepotential (GND) legbar ist; und wobei zur Ermittlung der ersten Referenzkapazität (ÜRefi) das zweite Ansteuersignal (A2) an die erste Versorgungsleitung (D1) anlegbar und ein Messsignal der ersten Referenzkapazität (ÜRefi) am zweiten Anschluss (S2) auslesbar ist, wobei ein erster Anschluss (S1) durch ein geöffnetes Schalterelement (12) vom Auswertungselement (40) getrennt ist und die zweite Versorgungsleitung (D2) während des Messvorgangs auf Massepotential (GND) legbar ist. Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors (100), aufweisend die Schritte:
- Anlegen eines Ansteuersignals (A1 , A1) an eine Versorgungsleitung einer kapazitiven Wheatstone'schen Brückenschaltung (21);
Ermitteln von Kapazitätswerten von Referenzkapazitäten (ÜRefi , ÜReß) kapazitiven Wheatstone'schen Brückenschaltung (21);
- Auswerten der ermittelten Kapazitätswerte von Referenzkapazitäten (ÜRefi , ÜReß) kapazitiven Wheatstone'schen Brückenschaltung (21); und Ermitteln wenigstens eines Kurzschlusswiderstands (RKS) aus den ausgewerteten Kapazitätswerten der Referenzkapazitäten anhand eines Vergleichs mit einem definierten Referenzwert (Rw). Verfahren nach Anspruch 8, wobei ein Wert eines ersten Kurzschlusswiderstands (RKSI) zwischen einer ersten Versorgungsleitung (D1) und Massepotential (GND), und/oder ein Wert eines zweiten Kurzschlusswiderstands (RKS2) zwischen einer zweiten Versorgungsleitung (D2) und Massepotential (GND) und/oder ein Wert eines dritten Kurzschlusswiderstands (RKSS) zwischen der ersten und der zweiten Versorgungsleitung (D1, D2) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Wert eines Serienwiderstands (Rs) in der ersten Versorgungsleitung (D1) und/oder der zweiten Versorgungsleitung ermittelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mittels einer 6-Sigma- Verteilung entschieden wird, ob der kapazitive Sensor (100) gut oder schlecht ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei das Verfahren zu definierten Zeitpunkten oder zyklisch durchgeführt wird. Computerprogramm mit Programmcodemitteln eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 12 wenn es auf einem ASIC-Element (20) eines kapazitiven Sensors (100) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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