专利摘要:
DieErfindung geht aus von einem Sensor mit einem mikromechanischenFunktionsteil (100) und einer elektronischen Auswerteschaltung (200),die mittels elektrischer Leiter (300, 350, 355) miteinander in elektrischerVerbindung (300, 350, 355) stehen. Der Kern der Erfindung bestehtdarin, dass Mittel (200) zur Durchführung eines Selbsttests desSensors derart vorgesehen sind, dass eine Fehlererkennung wenigstenseiner elektrischen Verbindung (300, 350, 355) realisiert ist.
公开号:DE102004026971A1
申请号:DE200410026971
申请日:2004-06-02
公开日:2005-12-29
发明作者:Dirk Droste;Harald Emmerich
申请人:Robert Bosch GmbH;
IPC主号:G01D5-24
专利说明:
[0001] DieErfindung geht aus von einem Sensor mit einem mikromechanischenFunktionsteil und einer elektronischen Auswerteschaltung, die mittelselektrischer Leiter in elektrischer Verbindung stehen.
[0002] Beikapazitiv ausgewerteten Inertialsensoren, insbesondere Beschleunigungssensorenmit Kammstrukturen, werden Signale über zwei Kontakte (C1, C2)zwischen der Auswerteschaltung und dem Sensorelement übertragen. Über einenweiteren Kontakt (CM) wird elektrisch-kapazitiv der ausgelenkteZustand der Kammstruktur als Funktion der Beschleunigung gewonnen.Das Substrat des Sensorelements wird hierzu über einen vierten Kontakt, denSubstratkontakt (CS) auf einem definierten Potential von einer Auswerteschaltungaus gehalten. Wird dieser Substratkontakt im Betrieb durch fehlerhafteVerbindungstechnik oder Ermüdunggetrennt, dann entsteht in Folge dieser hochohmigen oder offenenVerbindung ein driftendes Potential. Durch Feldlinienverschiebungenund zugehörigeAuslenkungen der Kammstruktur könnenZuständein der elektrostatischen Konfiguration erreicht werden, die deneneiner extern anliegenden Beschleunigung entsprechen, ohne dass diesetatsächlichvorliegt. Insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen wieESP, Airbag, Roll-Over, ABS und weiteren kann dies eine Fehlererkennungder elektrischen Verbindung erforderlich machen.
[0003] ImStand der Technik wird diese Fehlererkennung, insbesondere die Kontakt-/Bondabrisserkennungdurch einen weiteren Kontakt sichergestellt. Durch einen eingeprägten Strom über diebeiden Kontakte kann bei einem etwaigen Auftrennen einer Verbindungein Potentialunterschied festgestellt werden. Bei redundanter Ausführung derelektrischen Verbindungen ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich zweiKontakte, welche die gleiche Funktion erfüllen, auftrennen, gering. ImZuge der weiteren Miniaturisierung von mikromechanischen Sensorenerweist sich der Platzbedarf von Kontaktflächen und elektrischen Leiterverbindungenjedoch zunehmend als Begrenzungsfaktor.
[0004] DieErfindung geht aus von einem Sensor mit einem mikromechanischenFunktionsteil und einer elektronischen Auswerteschaltung, die mittelselektrischer Leiter miteinander in elektrischer Verbindung stehen.Der Kern der Erfindung besteht darin, dass Mittel zur Durchführung einesSelbsttests des Sensors derart vorgesehen sind, dass eine Fehlererkennungwenigstens einer elektrischen Verbindung realisiert ist. Der erfindungsgemäße Sensorbietet den Vorteil, dass infolge des vorgesehenen Selbsttestes redundanteelektrische Verbindungen entfallen können. Dadurch ergibt sich einePlatzersparnis auf dem Sensorelement und auf der Auswerteschaltungdes Sensors. In der Folge ergeben sich geringere Teilekosten.
[0005] Einevorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Sensoreinen Betriebszustand aufweist, in welchem der Selbsttest stattfindet unddass der Sensor einen weiteren Betriebszustand aufweist, in welchemein normaler Messbetrieb stattfindet. Der Sensor kann auf dieseWeise zunächst denSelbsttest durchführen,und im Anschluss bei bestandenem Selbsttest den normalen Messbetrieb aufnehmen.
[0006] Eineandere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dassdie Mittel zur Durchführungdes Selbsttests des Sensors derart vorgesehen sind, dass der Selbsttestwährenddes normalen Messbetriebs stattfinden kann. Dadurch kann die korrekteFunktion des Sensors jederzeit, auch während der Messungen getestetwerden.
[0007] Vorteilhaftist, dass der Sensor einen kapazitiven Sensor, insbesondere einenSensor mit einer Differentialkondensatorstruktur darstellt. Kapazitive Sensorensind in besonderer Weise fürPotentialschwankungen und daraus folgende Fehlsignale anfällig.
[0008] Vorteilhaftist, dass das mikromechanische Finktionsteil auf einem Substratund die elektronische Auswerteschaltung wenigstens auf einem anderenSubstrat angeordnet ist. Bei Anordnung des mikromechanischen Funktionsteilsund der Auswerteschaltung auf verschiedenen Substraten ist ein definiertesgemeinsames Potential, welches durch elektrische Verbindungsleitungengeschaffen wird, von besonderer Bedeutung.
[0009] Weiterhinist vorteilhaft, dass mittels des Selbsttests der Zustand einerSubstratverbindung und/oder Masseverbindung zwischen dem mikromechanischenFunktionsteil und der elektronischen Auswerteschaltung prüfbar ist.Fehlmessungen infolge fehlerhafter Substratverbindungen stellenein schwierig zu detektierendes Problem mikromechanischer Sensorendar. Der Zustand dieser elektrischen Verbindung ist dazu vorteilhaftbezüglicheiner Unterbrechung oder Hochohmigkeit prüfbar.
[0010] Besondersvorteilhaft ist, dass der Selbsttest das Aussenden eines elektrischenSignals von der elektronischen Auswerteschaltung an das mikromechanischeFunktionsteil und ein daraus folgendes Sensormesssignal beinhaltet.Auf diese Weise könnenMessfehler infolge von Potentialänderungenbereits im Testbetrieb abgebildet werden.
[0011] Vorteilhaftist auch, dass der Selbsttest derart realisiert ist, dass er dieelektrische Leitfähigkeit wenigstenseiner Verbindung und/oder die Unterbrechung dieser Verbindung bestimmt.Ein etwaiger erhöhterWiderstand einer elektrischen Verbindung oder ihre Unterbrechungsind entscheidende Vorbedingungen für das Auftreten von Potentialschwankungen.
[0012] Vorteilhaftist also zusammenfassend die Platzersparnis auf dem Sensorelementund der Auswerteschaltung durch Wegfall eines Kontaktes oder Bondlandsbzw. eines Doppelbonds bei gleichzeitig hoher Überwachungssicherheit. Vorteilhaftist weiterhin der geringe Schaltungsaufwand für den Selbsttest durch digitaleSignalverarbeitung. Die Kontaktabrisserkennung kann vorteilhaftan einem ohnehin schon vorhandenen Kontakt erfolgen. Bereits ein schlechterwerdender Kontakt (langsames Ablösen einesBonds, Kirkendall-Effekt,...) kann frühzeitig durch Überwachungdes Einschwingverhaltens erkannt werden, bevor es zum totalen Ausfallkommt.
[0013] Weiterevorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
[0014] Ausführungsbeispieleder Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibungnäher erläutert.
[0015] 1a zeigtschematisch einen mikromechanischen Sensor nach Stand der Technik.
[0016] 1b zeigtschematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischenSensor mit Fehlererkennung.
[0017] 2 zeigtdie Abhängigkeitdes Sensorausgangssignals von der am Substrat anliegenden Spannung.
[0018] 3 zeigteinen erfindungsgemäßen Sensormit Auswerteschaltung in schematischer Darstellung.
[0019] 4a zeigtein möglichesAnregungssignal des erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorsmit Fehlererkennung.
[0020] 4b zeigtdas Testantwortsignal eines korrekt funktionierenden erfindungsgemäßen mikromechanischenSensors mit Fehlererkennung.
[0021] 4c zeigtTestantwortsignale eines defekten erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensorsmit Fehlererkennung.
[0022] Anhandder im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindungdetailliert dargestellt werden.
[0023] 1a zeigtschematisch einen mikromechanischen Sensor nach Stand der Technik.Der Sensor umfasst einen mikromechanischen Funktionsteil 10 undeine elektronische Auswerteschaltung 20, zwischen denenelektrische Verbindungen bestehen. Die elektrischen Verbindungenumfassen in diesem Beispiel elektrische Leiter 35, diean Kontaktflächen 30 kontaktiertsind. Zur Übertragungvon vier Signalen bestehen hier fünf Verbindungen, d.h., eine Verbindungist redundant.
[0024] 1b zeigtschematisch einen erfindungsgemäßen mikromechanischenSensor mit Fehlererkennung. Der Sensor umfasst einen mikromechanischenFunktionsteil 100 und eine elektronische Auswerteschaltung 200,zwischen denen elektrische Verbindungen bestehen. Die elektrischenVerbindungen umfassen jeweils elektrische Leiter 350, welchean Kontaktflächen 300 kontaktiertsind. Im Unterschied zum Sensor nach Stand der Technik gemäß 1a sindin diesem Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensors nur noch vier elektrischeVerbindungen vorhanden. Die vormals vorhandene, redundante fünfte elektrischeVerbindung ist entfallen. Hierdurch ergibt sich ein Einsparpotentialvon Chipfläche 110.Die Chipfläche 1l0 kannzur Verkleinerung des Sensors oder zur Realisierung zusätzlicherFunktionen genutzt werden.
[0025] 2 zeigtdie Abhängigkeitdes Sensorausgangsignals eines mikromechanischen Sensors von deram Substrat anliegenden Spannung. Das Diagramm zeigt ein relativesSensorsignal S übereiner Substratspannung V. Das Sensorsignal ist in diesem Beispiellinear abhängigvon der Substratspannung V mit dem Anstieg dS/dV. Andere Abhängigkeitensind möglich.Die Empfindlichkeit des sogenannten Durchgriffs dS/dV ist hier ebenfallsnur beispielhaft dargestellt. Sie unterliegt verschiedenen Parametern desSensors und der Auswerteschaltung und ist im System zu bestimmen.In dem hier gezeigten Beispiel ist eine Änderung des Sensorsignals Sin der Größe von circa ±20% desMessbereichs bei einer Änderungder Substratspannung V von 5V dargestellt.
[0026] 3 zeigteinen erfindungsgemäßen Sensormit Auswerteschaltung in schematischer Darstellung. Die elektronischeAuswerteschaltung 200 umfasst ein Auswertungsmodul 220,ein Anregungsmodul 240, ein Demodulationsmodul 260 sowieein Bewertungsmodul 280. Das Auswertungsmodul 220 hat dieSignalauswertung eines typischen kapazitiven Sensors zur Aufgabe.Es ist überelektrische Verbindungen 350 mit den Elektroden C1, CMund C2 eines Differentialkondensators verbunden. Das Auswertungsmodul 220 wertetdie Kapazitätsänderungen desDifferentialkondensators aus und erzeugt daraus ein Sensorausgangsignal 225.Die elektronische Auswerteschaltung 200 ist darüber hinausmittels einer weiteren elektrischen Verbindung 350 mitdem mikromechanischen Funktionsteil 100 verbunden. Dieseelektrische Verbindung stellt eine sogenannte Substratleitung 355 darund ist bei Sensoren im Stand der Technik redundant ausgeführt, oderdient speziell überdie Mehrfachausführungder Kontaktüberwachung.Die Kontaktüberwachungerfolgt im Stand der Technik durch einen eingeprägten Strom über die beiden Kontakte. Beieinem etwaigen Auftrennen einer Verbindung kann dann dein Potentialunterschiedfestgestellt werden.
[0027] Indem hier beschriebenen Beispiel eines erfindungsgemäßen Sensorsist die Substratleitung 355 nur einfach ausgeführt, wirdaber mittels einer Selbsttestfunktion überwacht. Die Substratleitung 355 verbindetdas Anregungsmodul 240 mit dem Substratkontakt CS. In einemBetriebszustand, beispielsweise nach dem Einschalten des Sensors,sendet nun das Anregungsmodul 240 im Rahmen eines Selbsttestesein Signalmuster überdie Substratleitung 355 an das mikromechanische Funktionsteil 100.In der Folge entsteht gemäß der in 2 gezeigtenAbhängigkeitein Messsignal, welches vom Signalauswertungsmodul 220 inein Sensorausgangsignal 225 umgewandelt wird. Das Anregungsmodul 240 stelltneben dem Testsignal auch ein Korrelationssignal 245 bereit.Das Korrelationssignal 245 und das Sensorausgangsignal 225 werdendem Demodulationsmodul 260 zur Verfügung gestellt. In dem Demodulationsmodul 260 findeteine korrelierte Demodulation der Signale statt. Ein demoduliertesAusgangssignal 265 wird dem Bewertungsmodul 280 zur Verfügung gestellt.Im Bewertungsmodul 280 wird aufgrund des ausgewertetenSignalmusters 265 schließlich der Zustand der Substratleitung 355 bewertetund ein entsprechendes Signal 285 ausgegeben.
[0028] DasMesssignal des mikromechanischen Funktionsteils 100 kannin der Auswerteschaltung 220 digitalisiert werden und diegesamte Signalverarbeitung auch des Selbsttestes kann digital erfolgen.
[0029] 4 zeigt ein mögliches Anregungssignal eineserfindungsgemäßen mikromechanischenSensors mit Fehlererkennung. Im Diagramm ist die SignalspannungV überder Zeit T dargestellt. In dem hier gezeigten Beispiel wird vondem Anregungsmodul 240 ein periodisches, rechteckiges Testsignalmuster 400 ausgesendet.Andere Signalformen sind aber ebenso denkbar.
[0030] In 4b istdie Testsignalantwort eines korrekt funktionierenden Sensors dargestellt.Das Diagramm zeigt das Sensorsignal S aufgetragen über derZeit T. das Signalmuster 420 stellt das Antwortsignal aufdas Testsignalmuster 400 dar. Das Signalmuster 420 alsdas Antwortsignal folgt in seinem zeitlichen Verlauf praktisch verzögerungsfreidem Testsignalmuster 400. Die Potentialverbindung zwischen derAuswerteschaltung 200 und dem mikromechanischem Funktionsteil 100 istalso niederohmig oder hochgradig leitfähig und damit intakt.
[0031] 4c stelltdie Signalantwort eines defekten Sensors dar. Das Diagramm zeigtdas Sensorsignal S aufgetragen überder Zeit T. Das erste im Diagramm dargestellte Signalmuster 440 deutetauf eine hochohmige oder wenig leitfähige Substratleitung 355 hin.Durch das Testmuster 400 vorgegebenen Potentialänderungenfolgt der mikromechanische Funktionsteil nur zeitverzögert. Daszweite im Diagramm dargestellte Signalmuster 460 zeigtdas Fehlen jeglicher Abhängigkeitdes Sensorausgangsignals vom Testsignalmuster 400 Der Wiederstand wäre alsopraktisch unendlich oder die Leitfähigkeit gleich Null. DieserUmstand lässtauf eine völligeUnterbrechung der Substratleitung 355, beispielsweise bedingtdurch den Abriss der elektrischen Leiterverbindung von einer Kontaktfläche, oderdurch den Riss des Leiters der Substratleitung 355 selbst, schließen.
[0032] ZusammenfassendkönnenAufbau und Funktion des erfindungsgemäßen Sensors wie folgt beschriebenwerden. Das Substratpotential des Sensors wird im laufenden Betriebaußerhalbder Testphase fürBondabrisserkennung durch eine Verbindung zu einer konstanten Referenzspannungwie z.B. Masse (GND) oder im Fall einer symmetrischen Spannungsversorgungzu einem Wert wie z.B. dem Mittenwert (VDD/2) definiert. Das Ausgangssignal deskapazitiven Meßsystemsist damit nur von den auf die seismische Masse einwirkenden Massenträgheitskräften oderelektrostatischen Feldkräftenabhängig.In einer Testphase könnendurch definierte Änderungdes Substratpotentials des mikromechanischen Funktionsteils 100 mittelseines Testsignalmusters 400 Änderungen in der Konfigurationder elektrostatischen Kräfteinnerhalb des Sensors erzeugt werden, die eine zusätzliche,auf die seismische Masse einwirkende Kraft etablieren. Durch diesezusätzlicheKraft wird dem normalen Ausgangssignal des Sensors ein weiteresSignal additiv überlagert.Höhe undzeitlicher Verlauf dieses Signals sind entsprechend dem Testsignal 400 wohldefiniert. Dazu ist in der Auswerteschaltung 200, die beispielsweiseals ASIC Schaltkreis ausgestaltet ist, ein Anregungsmodul 240 vorgesehen,mit dessen Hilfe verschiedene Spannungen an den SubstratkontaktCS des mikromechanischen Funktionsteils 100 angelegt werdenkönnen.Das Anregungsmodul 240 ermöglicht es ferner, arbiträr das Musterder Spannungen überden zeitlichen Verlauf zu bestimmen. Durch die verschiedenen Spannungenan dem Sensorsubstrat treten im zeitlichen Ablauf Änderungendes Ausgangssignals des Meßsystemsauf, die durch korrelierte Demodulation von einem überlagertenBeschleunigungssignal bereinigt werden können. Das so bereinigte Signalkann anschließend über Toleranzprüfungen imBewertungsmodul 280 bewertet werden. Dabei kann mittelsverschiedener Testsignalmuster 400 das Substratpotentialund damit der Zustand der Substratleitung 355 geprüft werden,um auf einen vollständigenAbriss oder eine Hochohmigkeit der elektrischen Verbindung zu schließen. Für verschiedeneAnwendungen könnenunterschiedliche Muster verwendet werden, sodass sich das Ausgangssignaldurch entsprechende korrelierte Demodulation von wahren Sensorsignalen,also beispielsweise Beschleunigungssignalen bereinigen und auswertenlassen kann. Der erfindungsgemäße mikromechanischeSensor kann insbesondere ein Inertialsensor wie zum Beispiel einBeschleunigungssensor oder ein Drehratensensor sein.
权利要求:
Claims (8)
[1] Sensor mit einem mikromechanischen Funktionsteil(100) und einer elektronischen Auswerteschaltung (200),die mittels elektrischer Leiter (350) in elektrischer Verbindung(300, 350, 355) stehen, dadurch gekennzeichnet,dass Mittel (200) zur Durchführung eines Selbsttests desSensors derart vorgesehen sind, dass eine Fehlererkennung wenigstenseiner elektrischen Verbindung (300, 350, 355)realisiert ist.
[2] Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassder Sensor einen Betriebszustand aufweist, in welchem der Selbstteststattfindet und einen weiteren Betriebszustand aufweist, in welchem einnormaler Messbetrieb stattfindet.
[3] Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassdie Mittel (200) zur Durchführung des Selbsttests des Sensorsderart vorgesehen sind, dass der Selbsttest während des normalen Messbetriebsstattfinden kann.
[4] Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassder Sensor einen kapazitiven Sensor, insbesondere einen Sensor miteiner Differentialkondensatorstruktur darstellt.
[5] Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassdas mikromechanische Funktionsteil (100) auf einem Substratund die elektronische Auswerteschaltung (200) wenigstensauf einem anderen Substrat angeordnet ist.
[6] Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassmittels des Selbsttests der Zustand einer Substratverbindung (355)und/oder Masseverbindung (355) zwischen dem mikromechanischenFunktionsteil (100) und der elektronischen Auswerteschaltung(200) prüfbarist.
[7] Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassder Selbsttest das Aussenden eines elektrischen Signals (400)von der elektronischen Auswerteschaltung (200) an das mikromechanische Funktionsteil(100) und ein daraus folgendes Sensormesssignal beinhaltet.
[8] Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassder Selbsttest derart realisiert ist, dass er die elektrische Leitfähigkeitwenigstens einer Verbindung (300, 350, 355)und/oder die Unterbrechung dieser Verbindung (300, 350, 355)bestimmt.
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引用文献:
公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
法律状态:
2011-05-12| 8110| Request for examination paragraph 44|
2011-05-12| R012| Request for examination validly filed|Effective date: 20110222 |
2012-11-05| R016| Response to examination communication|
2014-01-31| R016| Response to examination communication|
2014-04-30| R018| Grant decision by examination section/examining division|
2015-05-22| R020| Patent grant now final|
优先权:
申请号 | 申请日 | 专利标题
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