DE102017222656A1

DE102017222656A1 - Sensor und sensorsystem

Info

Publication number: DE102017222656A1
Application number: DE102017222656.0A
Authority: DE
Inventors: Herbert Preis; Roland Hilser; Richard Baur
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Continental Automotive GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Continental Automotive GmbH
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2019-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (10) mit einem Sensorelement (12), das ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu schwingen, wobei aus den Schwingungen ein Sensorsignal abgeleitet werden kann, und mindestens einem Resonator (14), der ausgebildet ist, bei einer entsprechenden externen Anregung des Sensors mit mindestens einer Resonatorfrequenz zu schwingen, die an eine der vorgegebenen Schwingungsfrequenzen des Sensorelements oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst ist..

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor und ein Sensorsystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen, die insbesondere zum Einsatz in der Automobiltechnik vorgesehen sind, und zwar vor allem in Fahrdynamik-Regelsystemen.
Regelsysteme zur Sicherstellung eines stabilen fahrdynamischen Zustands und zur Erfassung des Zustands von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen benötigen für einen zuverlässigen Betrieb exakte und verlässliche Daten insbesondere der Drehrate und Beschleunigung eines Fahrzeugs. Zur Vermeidung von fehlerhaftem Systemverhalten der Regelsysteme sind die zum Erfassen der Drehrate und Beschleunigung eingesetzten Sensoren üblicherweise mit umfassenden Überwachungsmaßnahmen ausgestattet, die vor allem für eine Erkennung Sensor-interner Defekte optimiert sind. Ein erkannter Fehlerzustand eines Sensors soll den Sensorsignalnutzern ausreichend schnell weitergeleitet werden, damit unerwünschte Regeleingriffe aufgrund von Sensorfehlern vermieden werden können.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 1 249 371 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Erkennen von Überrollvorgängen bei einem Kraftfahrzeug bekannt, bei dem Translationsbeschleunigungen des Fahrzeugs bei der Auswertung eines Drehratensensorsignals berücksichtigt werden, um zu vermeiden, dass Störungen in der Funktionsweise des Drehratensensors, die durch extreme Translationsbeschleunigungen verursacht worden sind, zum fälschlichen Auslösen von Rückhaltemitteln für einen Überrollvorgang führen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2006 031 730 A1 betrifft ein Verfahren zur Fehlerdiagnose und -korrektur eines Sensors eines sicherheitskritischen Systems eines Fahrzeugs, bei dem zur Fehlerdiagnose der Sensor auf eine spezifizierte Funktionsweise geprüft wird, indem zumindest Teile der Sensorspezifikation überprüft werden, und ein Fehlerdiagnosesignal als Ergebnis der Fehlerdiagnose erzeugt wird, und das Signal des Sensors mit einer Ersatzwertstrategie korrigiert wird, falls das Fehlerdiagnosesignal einen Fehler des Sensors signalisiert.
Die deutsche Patentschrift DE 10 2007 037 298 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zum Überprüfen eines Sensorsignals. Hierbei werden zum Überprüfen eines ersten Sensorsignals eines ersten Sensorclusters mit zumindest einem ersten Sensor durch das erste Sensorcluster eine oder mehrere physikalische Messgrößen in einem ersten Messbereich erfasst. Durch die Auswertung eines zweiten Sensorsignals eines zweiten Sensorclusters mit zumindest einem zweiten Sensor wird ermittelt, ob ein vorgegebener Betriebszustand vorliegt, wobei durch das zweite Sensorcluster eine oder mehrere der physikalischen Messgrößen in einem von dem ersten Messbereich unterschiedlichen zweiten Messbereich erfasst werden. Bei Vorliegen eines der vorgegebenen Betriebszustände wird dann auf ein Vorliegen oder Nicht-Vorliegen eines möglichen äußeren Störeinflusses auf das erste Sensorsignal erkannt.
Die deutsche Patentschrift DE 10 2007 046 982 B3 offenbart eine Einrichtung zur Erfassung einer Unfallsituation, insbesondere einer Kollision eines Fahrzeugs mit einem Hindernis und/oder einem Überrollvorgang, mit einer Körperschallempfangseinheit und mit einer Auswerteeinheit, wobei die Körperschallempfangseinheit so in dem Fahrzeug angeordnet ist, dass der von einer Deformation einer Karosserie oder von Karosserieteilen des Fahrzeugs erzeugte Schall und/oder die von einer Deformation erzeugten Schwingungen der Karosserieteile zu der Körperschallempfangseinheit übertragen werden, wobei die Auswerteeinheit den erfassten Schall und/oder die erfassten Schwingungen auswertet, um eine Unfallsituation des Fahrzeugs festzustellen, wobei die Auswerteeinheit den erfassten Schall und/oder die erfassten Schwingungen bei der Auswertung prüft, ob der erfasste Schall und/oder die erfassten Schwingungen einer bestimmten Signalform entspricht bzw. entsprechen, um als beeinflussende Signalinformation bewertet und/oder berücksichtigt zu werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen verbesserten Sensor und ein verbessertes Sensorsystem vorzuschlagen.
Es hat sich gezeigt, dass externe Einflüsse auf einen Sensor dazu führen können, dass ein vom Sensor erzeugtes Signal häufig nur temporär, also zeitlich begrenzt, aber nicht dauerhaft gestört oder fehlerhaft ist, und daher kein eigentlicher Defekt des Sensors vorliegt. Für den Betrieb des Sensors kann die Erkennung solcher externen Einflüsse von Vorteil sein, da dies beispielsweise zum temporären Deaktivieren einer Nutzung des gestörten oder fehlerhaften Sensorsignals genutzt werden kann. Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegender Gedanke besteht daher darin, derartige externe Einflüsse auf einen Sensor, welche Störungen oder Fehler im Sensorausgangssignal bewirken können, dadurch zu erkennen, dass zusätzlich zu mindestens einem Sensorelement des Sensors mindestens ein Resonator vorgesehen ist, der bei entsprechender externer Anregung mit mindestens einer Resonatorfrequenz schwingen kann. Die mindestens eine Resonatorfrequenz ist hierbei an eine von mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz des mindestens einen Sensorelements oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst. Durch den Resonator ist es möglich, einen externen Einfluss zu detektieren, welcher Schwingungen in einem Bereich durch Anregung des mindestens einen Resonators erzeugt, welche im Bereich der mindestens einen vorgegebenen Schwingungsfrequenz liegen und daher den ordnungsgemäßen Betrieb des mindestens einen Sensorelements beeinträchtigen können. Ein derartiger Sensor kann beispielsweise in Regelsystemen zur Sicherstellung eines stabilen fahrdynamischen Zustands und zur Erfassung des Zustands von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen eingesetzt werden. Wird ein externer Einfluss auf den Sensor erkannt, welcher zu einer Störung des Betriebszustands des Sensors und zu einem fehlerhaften Sensorsignal führen kann, kann beispielsweise eine Sensorsignalverarbeitung insbesondere temporär ausgesetzt werden, so dass kein fehlerhaftes Sensorsignal in einem Regelsystem, in dem der Sensor eingesetzt wird, verarbeitet wird. Insgesamt können dadurch ein Sensor und ein Sensorsystem mit einer verbesserten Robustheit gegenüber externen Einflüssen geschaffen werden. Unter einer Resonatorfrequenz wird hierin eine Frequenz verstanden, bei welcher ein Resonator bei entsprechender externer Anregung schwingt. Es kann sich hierbei um eine Resonanzfrequenz eines Schwingungselements eines Resonators handeln.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Sensor vorgesehen, der folgendes aufweist: ein Sensorelement, das ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu schwingen, und aus dessen Schwingungen ein Sensorsignal abgeleitet wird, und mindestens einen Resonator, der ausgebildet ist, in dem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer Resonatorfrequenz zu schwingen, die an eine der mindestens einen vorgegebenen Schwingungsfrequenz des Sensorelements und/oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst ist.
Es können Detektionsmittel vorgesehen sein, die ausgebildet sind, den mindestens einen Resonator zu überwachen und Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu detektieren. Insbesondere können die Detektionsmittel ausgebildet sein, mindestens ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitung mittels kapazitiver, piezoelektrischer und/oder piezoresistiver Erfassung der Schwingungen des mindestens einen Resonators zu erzeugen.
Es kann eine Auswerteschaltung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, detektierte Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu verarbeiten und davon abhängig ein Indikatorsignal zu erzeugen. Die Auswerteschaltung kann insbesondere ausgebildet sein, aus detektierten Schwingungen einen Parameter abzuleiten und den abgeleiteten Parameter mit mindestens einem Schwellwert zu vergleichen und das Indikatorsignal zu erzeugen, wenn die detektierte Abweichung einen oder mehrere Schwellwerte überschreitet. Die Auswerteschaltung kann zudem ausgebildet sein, den mindestens einen Schwellwert anhand eines Resonanzverhaltens des Sensorelements zu kalibrieren, indem der mindestens eine Schwellwert derart festgelegt wird, dass eine externe Anregung des Sensors, welche eine Schwingung des Sensorelements im Bereich der mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz verursacht, eine Schwellwertüberschreitung verursacht.
Das Sensorelement kann ein mikromechanischer Drehratensensor mit einer ersten vorgegebenen Schwingungsfrequenz und einer zweiten vorgegebenen Schwingungsfrequenz sein, wobei die erste und die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz unterschiedlich sind. Insbesondere kann der Sensor einen zusätzlichen ersten und einen zweiten mikromechanischen Resonator aufweisen, wobei die Resonatorfrequenz des ersten mikromechanischen Resonators an die erste vorgegebene Schwingungsfrequenz und die Resonatorfrequenz des zweiten mikromechanischen Resonators an die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz angepasst ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Sensorsystem vorgesehen, das folgendes aufweist: mindestens einen erfindungsgemäßen Sensor wie hierin beschrieben und eine Sensorsignalverarbeitung, die ausgebildet ist, das Sensorsignal des mindestens einen Sensors abhängig von der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators zu verarbeiten. Insbesondere kann die Sensorsignalverarbeitung ausgebildet sein, eine Verarbeitung des Sensorsignals des mindestens einen Sensors auszusetzen, wenn das Messsignal bei der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators eine Schwingung bei der mindestens einen vorgegebenen Schwingungsfrequenz des Sensorelements signalisiert.
Details einer oder mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen dargelegt. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
Figurenliste
Die Zeichnungen zeigen in

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems mit mehreren Sensoren und einem Sensor-externen Analysesystem zur Ermittlung eines Umweltstatus der Sensoren;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
6 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor, das Implementierungsdetails einer MEMS-Zelle und der Verschaltung mit einer Signalauswertung zeigt;
7 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor;
8 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor; und
9 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems mit mehreren Sensoren und einem Sensor-externen Analysesystem zur Ermittlung eines Umweltstatus der Sensoren.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in der Automobiltechnik vorgesehen, und zwar vor allem in Fahrdynamik-Regelsystemen. Nachfolgend werden nun Sensorsysteme und Sensoren als Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, die zum Einsatz in solchen Regelsystemen geeignet sind, insbesondere Drehratensensoren. Die Erfindung ist allerdings nicht auf dieses Einsatzgebiet und auf Drehratensensoren beschränkt, sondern kann auch in anderen Einsatzgebieten mit ähnlichen Anforderungen an die Robustheit und Zuverlässigkeit von Sensoren und bei anderen Sensoren als Drehratensensoren wie beispielsweise Linearbeschleunigungssensoren eingesetzt werden.
Wie bereits in der Einleitung beschrieben ist, ist zur Vermeidung von einem fehlerhaften Verhalten eines Regelsystems für die Fahrdynamik eines Automobils die Erkennung eines Fehlerzustands in dem oder den im Regelsystem eingesetzten Sensor(en) von besonderer Bedeutung. Ein Fehlerzustand eines Sensors kann einerseits durch einen Defekt im Sensor selbst ausgelöst werden, beispielsweise durch unerwünschte Partikel in mikromechanischen Sensorelementen (MEMS: Micro-Electro-Mechanical-System), oder auch durch unterbrochene elektrische Verbindungen zwischen einem Sensor-Element und einer zugehörigen Auswerte-Einheit, die beispielsweise durch einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) implementiert sein kann. Dieser Fehlerzustand wird häufig in Form eines Fehler-Status-Signals, beispielsweise durch ein Fehlerbit, der Auswerteeinheit des Sensors zur Verfügung gestellt und signalisiert, dass das aktuell bereitgestellte Signal nicht vertrauenswürdig ist.
Andererseits kann ein Ansprechen einer zur Erkennung eines Fehlerzustands vorgesehenen Überwachungseinheit des Sensors auch Ursachen außerhalb des Sensors haben. Solche Ursachen werden hierin auch als externe Anregung eines Sensors bezeichnet, da sie im Unterschied zu einer internen Anregung des Sensors zum Erzeugen unerwünschter Sensorsignale und/oder zu einer Störung eines Sensorsignals führen können. Beispielsweise können außerhalb des Sensorelements generierte thermisch-mechanische Verspannungen, Temperatureinflüsse, Feuchtigkeitseinflüsse oder Vibrationen eine Beeinflussung eines Sensorelements des Sensors generieren, die einerseits eine Signalstörung hervorruft und andererseits von der Überwachungseinheit als Sensordefekt interpretiert wird.
Insbesondere umweltbedingte Störungen liegen oft nur temporär vor und können aufgrund dieser ungewollten Fehlererkennung zur Deaktivierung wichtiger Sicherheitsfunktionen führen. Eine Überwachungseinheit im Sensor kann oftmals nicht unterscheiden, ob ein realer Sensordefekt oder ob ein umweltbedingter externer Einfluss des Sensors vorliegt. Wichtig ist zunächst, den sicheren Systemzustand herzustellen, d.h. ein Sensorsignal bei einem Fehlerzustand als „ungültig“ zu qualifizieren. Zudem sollte innerhalb kurzer Zeit klassifiziert werden, ob es sich um einen signifikanten und dauerhaften Sensordefekt handelt oder ob eine temporäre externe Störung für die Funktionseinschränkung verantwortlich ist.
Während im Fall eines Sensordefekts in der Regel ein Austausch des Steuergeräts mit dem Sensor erforderlich ist, der schnell veranlasst werden sollte, um den ordnungsgemäßen Einsatz eines Regelsystems zu gewährleisten, ist im Fall einer ursächlichen externen Beeinflussung ein Steuergerätetausch in der Regel nicht erforderlich.
Um eine Unterscheidung zwischen Sensordefekt und externen Beeinflussungen zu ermöglichen, können zusätzliche Umweltstatus-Überwachungen vorgesehen sein.
Eine zusätzliche Berücksichtigung des Umweltstatus ermöglicht es zum einen, eine unerwünschte längerfristige Deaktivierung von Regelfunktionen ggf. zu vermeiden, zumal externe Beeinflussungen meist temporärer Natur sind. Zum anderen kann unter Berücksichtigung des Umweltstatus eine unerwünschte Fehlerqualifikation mit dem Attribut „Steuergerät defekt“ aufgrund externer Störungen verhindert werden.
Die entsprechende Status-Information wird nachfolgend mit „Umweltzustand“ bezeichnet. Der Umweltzustand kann Statusflag-Informationen über Temperatur, Feuchtigkeit, mechanische Verspannungen, Kräfte, lineare Beschleunigungen, Vibrationsbeschleunigungen, auch frequenzselektiv enthalten.
Der Umweltzustand kann sowohl im Sensor intern erfasst, aber auch außerhalb des Sensors mittels weiterer Indikatoren oder Sensoren generiert werden.
Eine mögliche Realisierung unter Berücksichtigung des Umweltzustands wird nun am Beispiel von mikromechanischen Drehratensensoren erläutert. Mikromechanische Drehratensensoren nutzen den Coriolis-Effekt zur Bestimmung des Drehratensignals. Dieses Grundprinzip erfordert einen permanent schwingenden Oszillator mit einer Schwingungsgeschwindigkeit $\vec{ν}$
(primäre Drive-Schwingung). Eine Drehbewegung s dieses Oszillators um eine zum Vektor $\vec{ν}$
senkrechte Richtung generiert eine Corioliskraft ${\vec{α}}_{c}$
senkrecht zur Fläche, die von den Vektoren $\vec{ν} und \vec{ω}$
aufgespannt wird. Die Corioliskraft ${\vec{α}}_{c}$
bewirkt die Anregung eines sekundären Schwingungsmodus des Oszillators mit Schwingungsrichtung senkrecht zur primären Drive-Schwingung (sekundäre Sense-Schwingung). Die Amplitude dieser sekundären Sense-Schwingung ist proportional zur wirkenden Drehgeschwindigkeit, so dass daraus das Drehratensignal generiert werden kann. Dieses Sensierungsprinzip basiert auf Resonanzstrukturen, die durch externe Beeinflussungen, welche Störschwingungen bewirken, beeinflusst werden können.
Der stabile permanente Drive-Schwingungsmodus des Oszillators wird mit Regelkreisen sichergestellt. Dieser Schwingungsmodus wird wiederum permanent mit einer oder mehreren Überwachungseinheiten auf seinen plausiblen Betriebszustand geprüft. Die Überwachung gewährleistet den sicheren Betrieb des Sensors und entsprechend die Plausibilität der Sensorsignale. Ein Fehler im Regelkreis des Sensor-Oszillators kann beispielsweise mittels Amplituden- oder Phasenüberwachung erkannt und eine nachfolgende Anwendung wie beispielsweise eine Fahrdynamikregelung schnell in einen sicheren Zustand transferiert werden, beispielsweise deaktiviert werden.
Die Überwachung findet im Bereich der Oszillator-Resonanzfrequenz statt. Daher ist dieser Überwachungsmechanismus empfindlich auf mechanische Störungen im Bereich der Arbeitsfrequenzen des Sensoroszillators.
Nachfolgend wird nun erläutert, wie Betriebs- und Überwachungsmodi eines Drehratensensors so modifiziert werden können, damit zwischen einer „umweltbedingten Störung“ und einem Sensordefekt verlässlich unterschieden werden kann.
Die bei Drehratensensoren üblicherweise vorgesehenen Sensor-Fehlerflags, die nicht zwischen Sensordefekt und umweltbedingter Störung unterscheiden, werden durch einen „Umweltstatus“ ergänzt, wodurch insbesondere die Verfügbarkeit eines Fahrzeugregelsystems bei rauen Einsatzbedingungen mit häufigen externen Anregungen des Drehratensensors verbessert werden kann. Durch diese Unterscheidungsmöglichkeit kann vermieden werden, dass in bestimmten Situationen ein Steuergerät als defekt klassifiziert wird und getauscht werden muss, obwohl die temporäre Einschränkung „nur“ durch eine ausgeprägte externe Beeinflussung verursacht wurde. Durch den zusätzlichen Umweltstatus kann die Verfügbarkeit eines Regelsystems verbessert und ein nicht gerechtfertigter Steuergerätetausch vermieden werden.
Nachfolgend sind einige Beispiele für relevante Umweltstatusinformationen aufgeführt, die detektiert werden können, um einen möglichen externen Einfluss auf einen Sensor zu bewerten:

- Temperatur;
- Feuchtigkeit;
- Luftdruck;
- Vibration, insbesondere selektiv für verschiedene Frequenzbereiche;
- Körperschall-Signale;
- mechanische Verspannungen.

Der Umweltstatus kann Sensor-intern oder Sensor-extern generiert werden und von einem Analysesystem, beispielsweise einer Auswerteschaltung im Rahmen einer Signalaufbereitung weiterverarbeitet werden. Extern kann bedeuten, dass Umweltinformationen eines weiteren Sensors beispielsweise innerhalb des gleichen Steuergeräts bzw. ECU (Electronic Control Unit) verwendet werden, oder auch Informationen von anderen ECUs.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems mit zwei ECUs 100-1, 100-2, die jeweils einen oder mehrere Sensoren 102-1, 102-2, 102-3 und jeweils eine Signalaufbereitungsschaltung 104-1, 104-2 aufweisen. Jeder Sensor 102-1, 102-2, 102-3 weist jeweils mindestens ein Sensorelement 1020-1, 1020-2, 1020-3 und jeweils einen Umweltstatusdetektor (UwDet) 1022-1, 1022-2, 1022-3 auf. Die Sensorelemente (Sig) 1020-1, 1020-2, 1020-3 erzeugen jeweils ein Sensorsignal, und die Umweltstatusdetektoren 1022-1, 1022-2, 1022-3 detektieren externe (wie die beispielsweise oben aufgeführten) Einflüsse auf das jeweilige Sensorelemente 1020-1, 1020-2, 1020-3 und geben abhängig von der Detektion ein Umweltstatus-Signal mit einer oder mehreren Umweltstatusinformationen wie beispielsweise „Temperatur > 40°C“, „Vibration bei 100Hz“, „Körperschallsignal bei 10 kHz“, etc. aus. Den Signalaufbereitungsschaltungen 104-1, 104-2 werden eines oder mehrere der Umweltstatus-Signale und ggf. eines oder mehrere der Sensorsignale zugeführt. Zur Verarbeitung der zugeführten Umweltstatus-Signale weisen die Signalaufbereitungsschaltungen 104-1, 104-2 jeweils einen Umweltsummenstatusgenerator 1040-1, 1040-2 auf, welcher aus den zugeführten Umweltstatus-Signalen ein Umweltstatus-Summensignal erzeugt, das den Umweltstatus für die Sensoren 102-1, 102-2 bzw. 102-3 der entsprechenden ECU 100-1, 100-2 repräsentiert. Die Signalaufbereitungsschaltung 104-1 weist zudem einen Signalstatusgenerator 1042 auf, dem das Sensorsignal des Sensorelements 1020-1 und ein Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 zugeführt werden. Abhängig vom Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 kann der Signalstatusgenerator 1042 bei einer durch das Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 signalisierten externen Beeinflussung des Sensors 102-1 über sein Ausgangssignal den Signalstatus beispielsweise auf „temporäre Störung“ setzen. Die Ausgangssignale der Umweltsummenstatusgeneratoren 1040-1 und 1040-2 sowie des Signalstatusgenerators 1042 können über ein Bussystem COM 106 an weitere ECUs wie beispielsweise ein Fahrdynamikregel-ECU übermittelt werden oder wie in 1 gezeigt vom ECU 100-2 zum ECU 100-1.
Neben der Verwendung der Umweltstatusinformation zur Verbesserung der Robustheit kann diese auch gezielt genutzt werden zur Verbesserung der Sensorsignalpräzision. Die oben genannten Umweltstatusinformationen wie „Temperatur“, „Feuchtigkeit“, „Mechanische Verspannung“ etc. können beispielsweise dazu führen, dass gemessene Sensorsignale verfälscht werden. Eine geeignete Kalibrierung der Sensorsignale, abhängig von Umweltstatusinformationen, kann die Präzision der bereitgestellten Sensorsignale verbessern.
Nachfolgend wird nun eine grundlegende Betriebsweise des Umweltstatus-Detektors am Beispiel eines in 2 anhand eines Blockschaltbilds dargestellten Drehratensensors 10-4 basierend auf dem Coriolisprinzip beschrieben.
Die Driveschwingung eines Drive-Schwingungselement D eines MEMS 12-4 des Drehratensensors 10-4 wird mittels einer Drive-Control-Schaltung DC stabil geregelt und gewährleistet die frequenzstabile permanente Oszillation des Drive-Schwingungselements D des MEMS 12-4 mit der Resonanzfrequenz der Driveschwingung ω_D in der Drive-Schwingungsebene. Eine zu messende Drehrate erzeugt gemäß Coriolis-Effekt eine resultierende Auslenkung in der Sense-Schwingungsebene. Diese Sense-Schwingungsebene hat eine Resonanz ω_S nahe der Driveschwingung ω_D . Mittels einer Auslesestruktur eines Sense-Schwingungselements S des MEMS 12-4 wird ein der gemessenen Drehrate proportionales analoges Signal bereitgestellt. In einem Signalverarbeitungspfad Sig wird das Sensorsignal erzeugt, insbesondere durch Signalkonvertierung (z.B. C-V), gegebenenfalls AD-Wandlung, sowie Signalaufbereitung, Demodulation und Signalfilterung. Ein Modul MON überwacht die verschiedenen Sub-Module bzw. Elemente DC, D, S und Sig auf eine korrekte Funktion. Ein zusätzlicher Umweltdetektor UwDet, dem Ausgangssignale der Sub-Module bzw. Elemente DC, D, S und Sig zugeführt werden, ermöglicht eine Unterscheidung zwischen einem Sensordefekt und einer Umweltstörung und kann ein entsprechendes Umweltstatus-Signal ausgeben.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 10-3 mit einem MEMS 12-3, das zusätzlich zu den Drive- und Sense-Schwingungselementen D, S eine integrierte separate Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie vor allem auch im Frequenzbereich der Drive und Sense-Frequenz der Schwingungselemente D, S des Drehratenelements 12-3 empfindlich ist. Durch geeignete Signalbewertungsmaßnahmen im Umweltdetektor UwDet können Resonanzanregungen des Sensorelements 12-3 identifiziert und ein Resonanzstatus signalisiert werden. Insbesondere kann eine solche Identifizierung im Umweltdetektor UwDet mittels Bandpassfilterung (Filter Bandpass) der Signale der Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 realisiert werden, beispielsweise indem der Filter Bandpass aus den zugeführten Signalen der Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 ein Signalspektrum im Bereich einer Resonanzfrequenz, die an die Drive- und Sensor-Frequenz der Schwingungselemente D, S des MEMS 12-3 angepasst ist, herausfiltert. Das herausgefilterte Signalspektrum kann dann über einen Vergleicher Compare mit einem Schwellwert verglichen werden. Abhängig vom Vergleich kann dann die Bewertung einer Signalstörung vorgenommen werden. Beispielsweise kann bei Überschreiten des Schwellwerts darauf geschlossen werden, dass im von der Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 erzeugten Signal ein Signalanteil vorhanden ist, der auf eine externe Beeinflussung der Drive- und Sense-Frequenz schließen lässt, so dass eine Signalstörung in Form einer externen Schwingungsbeeinflussung mit dem Umweltstatus-Signal durch den Umweltdetektor UwDet signalisiert werden kann.
Die Beschleunigungssensorzelle Acc 14-3 kann monolithisch im Modul des Drehratenelements 12-3 integriert werden, wie es in 3 angedeutet ist. Es kann aber ein separater Sensorchip mit einer Beschleunigungssensorzelle für die Resonanzdetektion genutzt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorchip um den Beschleunigungssensorchip eines kombinierten Drehraten/Beschleunigungssensors handeln.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 10-3 mit einem MEMS 12-3 wie dem des in 2 gezeigten Drehratensensors 10-4. Bei diesem Drehratensensor 10-3 wird eine externe separate Beschleunigungssensorzelle Acc 14-2 innerhalb eines zusätzlichen Sensorchips Sensor2 als Resonator zur Resonanzdetektion genutzt, die vor allem auch im Frequenzbereich der Drive und Sense-Frequenz des Drehratenelements empfindlich ist. Durch geeignete Signalbewertungsmaßnahmen können Resonanzanregungen des Sensorelements 12-4 identifiziert und ein Resonanzstatus durch den Umweltdetektor UwDet signalisiert werden. Die Beschleunigungssensorzelle Acc 14-2 kann auf derselben Leiterplatte, im selben Steuergerät wie das Sensorelement 12-4 oder in einem anderen Steuergerät mit ausreichender mechanischer Kopplung integriert werden.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Drehratensensor 12 mit Schwingungselementen D und S, insbesondere ein Drehraten-MEMS, mindestens einen integrierten, von den Schwingungselementen D, S separaten Resonator Res 14 aufweist. Das Design dieses mindestens einen Resonators 14 ist optimiert auf Resonanzfrequenzen, die den Resonanzfrequenzen der Schwingungselemente D und S und ggf. weiteren empfindlichen Frequenzen des Drehratensensors 12 entsprechen können. Im Fall einer Resonanzstörung des Drehratensensors 12 wird auch der integrierte Resonator 14 mechanisch zu Schwingungen angeregt, wodurch eine externe Beeinflussung des Sensorsignals festgestellt werden kann.
Der Transfer der Ausgangssignale des Resonators 14 zu elektrisch detektierbaren Signalen kann mittels der ohnehin im Drehratensensor 12 verwendeten Technologien wie z.B. kapazitive (C/V), piezoelektrische oder piezoresistive Erfassung stattfinden. Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Umweltdetektor UwDet 16 einen Signalwandler 160 auf, der aus dem Ausgangssignal des Resonators 14, insbesondere einer Schwingung, ein Spannungssignal erzeugt. Ferner ist ein Verstärker 162 vorgesehen, der das Spanungssignal verstärkt. Im einfachsten Ansatz kann das verstärkte, analoge Spannungssignal in der Auswerteschaltung des Umweltdetektors UwDet 16 gegen Schwellwerte mittels einer Vergleichsschaltung bzw. einem Komparator 166 verglichen werden. Optional kann auch ein Vergleich digitaler Signale nach einer zusätzlichen Analog-Digital-Wandlung durch einen Analog-DigitalWandler AD 164 stattfinden. Unabhängig von der Art der gewählten Auswertemethode kann bei Überschreiten eines kritischen Schwellwerts angezeigt werden, dass eine Resonanzstörung des Drehratensensors 12 vorliegen muss, zumal das ausgewertete Signal des Resonators 14 mit der gleichen Frequenz zu Schwingungen angeregt werden kann, mit welcher auch die Schwingungselemente D und S des Drehratensensors 12 schwingen. Eine Kalibrierung der Schwellwerte kann mittels des Resonanzverhaltens der Schwingungselemente D und S festgelegt werden. Die Schwellen können so festgelegt werden, dass jede sicherheitskritische Signalstörung aufgrund einer Resonanzanregung auch vom Umweltdetektor UwDet 16 erkannt werden kann.
In 6 sind die Zusammenhänge zwischen dem grundlegenden Funktionsprinzip eines mikromechanischen Drehratensensors und den vorgeschlagenen Detektionsmechanismen dargestellt.
Links in 6 sind die zwei Resonatoren eines Drehratenelements 120 in Form einer MEMS-Zelle 12 dargestellt mit den zueinander senkrechten Richtungen der Drive- und der Sense-Schwingung mit entsprechenden Resonanzfrequenzen. In der Signalauswertung ASIC 18 wird dieser Schwingungszustand der Resonatoren genutzt als Feedback-Signal für die Regelung der Drive Schwingung, sowie als Maß für die zu messende Drehrate im Fall der Sense-Schwingung.
Rechts in 6 sind die beiden zusätzlichen Resonanzelemente bzw. Resonatoren 140 und 142 dargestellt, die mit den mit den gleichen Fertigungsprozessen monolithisch in der MEMS-Zelle 12 integriert werden können, die auch für die Herstellung der Strukturen des Drehratenelements 120 verwendet werden. Das Resonanzelement 140 besitzt eine Resonatorfrequenz f1, die an die Drive-Schwingung des Drehratenelements 120 angepasst ist, und das Resonanzelement 142 besitzt eine Resonatorfrequenz f2, die an die Sense-Schwingung des Drehratenelements 120 angepasst ist. Im Falle einer Resonanzanregung zumindest einer dieser Strukturen des Drehratenelements 120 wird zumindest einer der Resonatoren 140, 142 in mechanische Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen können mittels kapazitiver, piezoelektrischer oder magnetischer Sensierung in elektrisch detektierbare Signale gewandelt werden, so dass sie in der Signalauswertung im ASIC 18 vom Umweltdetektor 16 weiterverarbeitet und bewertet werden können. Sinnvollerweise werden auch hier die bereits für die Sensorsignalauswertung verwendeten Methoden zu verwendet.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 10-5, der sich von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass alle Überwachungsfunktionen im Modul MON genutzt werden, wobei jedoch die Überwachungsmechanismen in einer Weise modifiziert sind, dass eine Unterscheidung zwischen einem Sensordefekt und einer Resonanzstörung möglich ist. Im Modul MON können beispielsweise folgende Funktionen implementiert sein:

- Toggeln von internen Zuständen;
- Demodulation;
- Delta-Frequenz-Analyse;
- Spezifische Signaturen verschiedener Fehlerflags.

Diese Maßnahmen können per Definition frequenzselektiv wirken, zumal sie auf den Wirkmechanismen des Standardbetriebsmodus arbeiten können.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors 10-6, in dem der Resonator bzw. Resonanzdetektor auf Grundlage eines zweiten Drehraten-Sensorelements 12-62 realisiert ist. Dieses unterscheidet sich vom ersten Drehratenelement 12-61 vor allem in den Resonanzfrequenzen der Driveschwingung D1 und der Senseschwingung S1. Ein signifikanter Unterschied zwischen den Resonanzfrequenzen von D und D1 bzw. entsprechend von S und S1 führt dazu, dass eine einwirkende Resonanzstörung sich lediglich auf ein Sensorelement störend auswirkt.
Nutzfunktionen dieser redundanten Sensierungssysteme benötigen zunächst beide Signale, um die Sicherheitsanforderungen in allen Betriebszuständen ausreichend erfüllen zu können.
Im Fall einer signifikanten Signaldifferenz zwischen beiden redundanten Signalen - aufgrund eines Sensordefekts oder aufgrund einer umweltbedingten Störung - wird die Sicherheitsfunktion deaktiviert und gegebenenfalls ein Steuergerätefehler klassifiziert. Mittels dieser Überwachung kann das fehlerhafte Signal nicht identifiziert werden, so dass es nicht möglich ist, die Funktion für begrenzte Zeit mit einem Signalkanal im Rahmen der Sicherheitsanforderungen fortzuführen. Der Einsatz eines Umweltstatusdetektors UwDet ermöglicht es, eine temporäre externe Störung zu identifizieren, diese Störung einem Sensorkanal zuzuordnen, wodurch die Applikation temporär mit dem ungestörten Signalkanal fortgesetzt werden kann. Folglich kann diese Eigenschaft gerade in sicherheitskritischen Situationen zu einer Verbesserung der Verfügbarkeit der Sicherheitsfunktionen führen.
9 zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sensorsystems, das sich von dem in 1 gezeigten in der Signalaufbereitungsschaltung 104-3 der ECU 100-1 unterscheidet. Die Signalaufbereitungsschaltung 104-3 weist neben dem Umweltsummenstatusgenerator 1040-1 einen Signalstatusgenerator 1042-1, dem das Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 zugeführt wird, und einen Signalkalibrator SigKalib 105 auf, dem das Sensorsignal des Sensorelements 1020-1 und das Ausgangssignal des Umweltsummenstatusgenerators 1040-1 zugeführt werden. Die Umweltstatusinformation dient in diesem Ausführungsbeispiel zur Verbesserung der Signalpräzision für den Fall, dass eine Korrelation zwischen Sensorsignal und Umweltstatus besteht. Eine zusätzliche Signalkalibrierung mittels des Signalkalibrators SigKalib 105 innerhalb der Signalaufbereitung unter Berücksichtigung der Umweltstatusinformation ermöglicht es, ungewünschte Einschränkung der Signalpräzision zu kompensieren.
Durch den in den obigen Ausführungsbeispielen enthaltenen Umweltstatusdetektors können folgende technischen Vorteile erzielt werden:
Es kann die Verfügbarkeit von Fahrdynamiksensoren verbessert werden.
Bei herkömmlichen Sensoren sind die Überwachungsfunktionen zur Detektion sensorinterner Defekte optimiert auf die Detektion von Sensordefekten. Diese Überwachungsfunktionen sprechen oft auch auf externe Umweltstörungen an, obwohl kein realer Sensordefekt vorliegt. Zur Gewährleistung maximaler Sicherheit bei gleichzeitig hoher Systemverfügbarkeit müssen deshalb sehr lange Qualifizierungszeiten für Fehler realisiert werden.
Eine eindeutige Unterscheidung zwischen realen Sensordefekten und externen Störungen durch den Umweltstatusdetektor ermöglicht es, bei realen Sensordefekten sehr schnell zu reagieren und damit die Sicherheit des Systems zu erhöhen. Zusätzlich kann bei eindeutiger Identifizierung von externen Störungen vermieden werden, dass ein unerwünschter Zustand „Steuergerät defekt“ qualifiziert wird, wodurch die Verfügbarkeit der Systeme erhöht wird.
Schließlich kann auch die Präzision von Fahrdynamiksensoren verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung kann eine Unterscheidung zwischen realen Sensorfehlern von durch Umwelteinflüssen verursachten Fehlermeldungen ermöglichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1249371 A1 [0003]
DE 102006031730 A1 [0004]
DE 102007037298 B1 [0005]
DE 102007046982 B3 [0006]

Claims

Sensor (10) mit - einem Sensorelement (12), das ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu schwingen, wobei aus den Schwingungen ein Sensorsignal abgeleitet werden kann, und - mindestens einem Resonator (14), der ausgebildet ist, bei einer entsprechenden externen Anregung des Sensors mit mindestens einer Resonatorfrequenz zu schwingen, die an eine der vorgegebenen Schwingungsfrequenzen des Sensorelements und/oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Detektionsmittel (16) vorgesehen sind, die ausgebildet sind, den mindestens einen Resonator zu überwachen und Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu detektieren.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsmittel (16) ausgebildet sind, mindestens ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitung mittels kapazitiver, piezoelektrischer und/oder piezoresistiver Erfassung der Schwingungen des mindestens einen Resonators zu erzeugen.
Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung (160, 162, 164, 166) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, detektierte Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu verarbeiten und davon abhängig ein Indikatorsignal zu erzeugen.
Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (160, 162, 164, 166) ausgebildet ist, aus detektierten Schwingungen einen Parameter abzuleiten (160) und den abgeleiteten Parameter mit mindestens einem Schwellwert zu vergleichen (166) und das Indikatorsignal zu erzeugen, wenn der abgeleitete Parameter einen oder mehrere Schwellwerte überschreitet.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (160, 162, 164, 166) ausgebildet ist, den mindestens einen Schwellwert anhand eines Resonanzverhaltens des Sensorelements zu kalibrieren, indem der mindestens eine Schwellwert derart festgelegt wird, dass eine externe Anregung des Sensors, welche eine Schwingung des Sensorelements im Bereich der mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz verursacht, eine Schwellwertüberschreitung verursacht.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (120) ein mikromechanischer Drehratensensor mit einer ersten vorgegebenen Schwingungsfrequenz und einer zweiten vorgegebenen Schwingungsfrequenz ist, wobei die erste und die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz unterschiedlich sein können.
Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass er einen zusätzlichen ersten und einen zweiten mikromechanischen Resonator (140, 142) aufweist, wobei die Resonatorfrequenz des ersten mikromechanischen Resonators an die erste vorgegebene Schwingungsfrequenz und die Resonatorfrequenz des zweiten mikromechanischen Resonators an die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz angepasst ist.
Sensorsystem mit mindestens einem Sensor (102-1, 102-2, 102-3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einer Sensorsignalverarbeitung (104-1, 104-2), die ausgebildet ist, das Sensorsignal des mindestens einen Sensors abhängig von einem Messsignal bei der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators zu verarbeiten.
Sensorsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignalverarbeitung (104-1, 104-2) ausgebildet ist, eine Verarbeitung des Sensorsignals des mindestens einen Sensors auszusetzen, wenn das Messsignal bei der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators eine Schwingung bei der mindestens einen vorgegebenen Schingungsfrequenz des Sensorelements signalisiert.