DE10329665B4

DE10329665B4 - Drucksensor, Chip mit einem Drucksensor und Verfahren zum Erfassen eines Nutzdrucks

Info

Publication number: DE10329665B4
Application number: DE10329665A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Kandler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-07-02
Also published as: DE10329665A1; US7124638B2; US20050000293A1

Abstract

Drucksensor zum Erfassen eines Nutzdrucks mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Druckerfassungseinrichtung (101; 203) zum Liefern eines ersten Druckmeßsignals, das von dem Nutzdruck abhängt und von einer Störung eine erste Störabhängigkeit aufweist;
einer zweiten Druckerfassungseinrichtung (105; 205) zum Liefern eines zweiten Druckmeßsignals, das von dem Nutzdruck abhängt und von der Störung eine zweite Störabhängigkeit, die sich von der ersten Störabhängigkeit unterscheidet, aufweist; und
einer Auswerteeinrichtung (109) zum Bestimmen des Nutzdrucks auf der Basis des ersten und des zweiten Druckmeßsignals, der ersten Störabhängigkeit und der zweiten Störabhängigkeit,
wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) eine erste Membran und die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) eine zweite Membran aufweisen;
wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) ausgebildet ist, um das erste Druckmeßsignal auf der Basis einer Verformung der ersten Membran zu liefern;
wobei die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) ausgebildet ist, um das zweite Druckmeßsignal auf der Basis einer Verformung der...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor sowie auf ein Verfahren zum Erfassen eines Nutzdrucks, der bzw. das zum Erfassen eines Reifendrucks eingesetzt werden kann.
Zur Druckmessung in einem Reifen eines Automobils werden Drucksensoren eingesetzt, die in Autoreifen eingebaut sind. Bei einer Bewegung eines Fahrzeugs treten in Autoreifen Zentrifugalbeschleunigungen bis 2.000 g auf. Diese Beschleunigungen können bei Reifendrucksensoren, die in dem jeweiligen Reifen mitbewegt werden, zu einem erheblichen Meßfehler führen.
In der Regel besteht der Drucksensor aus einer flexiblen Membran, die sich unter einem Einfluß eines Außendrucks durchbiegt. Diese Durchbiegung (Verformung) wird elektronisch gemessen und ist ein Maß für den Außendruck.
Aufgrund eines Eigengewichts einer Membran führt nun auch eine senkrecht zur Membran wirkende Beschleunigung zu einer Durchbiegung. Insbesondere bei oberflächenmechanischen Siliziumdrucksensoren, die eine Schutzschicht, beispielsweise ein Gel, zur Medientrennung benötigen, wird der mit der zusätzlichen Membrandurchbiegung einhergehende Effekt durch die auf die Membran aufgebrachte Schutzschicht (Medienschutz) so verstärkt, daß es bei einem Einsatz von derartigen Sensoren zu einem erheblichen Meßfehler kommt. Aufgrund der senkrecht zur Membran wirkenden Beschleunigung kommt es jedoch auch zu einem Meßfehler bei Sensoren, die keine Schutzschicht benötigen. Beispielsweise bei Sensoren, die in Bulk-Mikromechanik aufgebaut sind, kann der Druck von einer Substratrückseite herangeführt werden, so daß bei derartig aufgebauten Sensoren für die aufgrund der Beschleunigung entstandenen Meßfehler im wesentlichen das Eigengewicht der Membran verantwortlich ist.
Darüber hinaus ist die quer zur Membran wirkende Beschleunigung und die damit einhergehende Durchbiegung der Membran stets von einer Position des Reifendrucksensors in einem Fahrzeug abhängig. Ist der Reifendrucksensor weniger von einer Radachse beabstandet, so ist die auf die Membran wirkende Zentrifugalbeschleunigung geringer, als es bei einem Reifendrucksensor der Fall ist, der von der Radachse weiter beabstandet ist, da die Zentrifugalbeschleunigung linear von einem Einbauradius abhängt. Werden beispielsweise Reifendrucksensoren nachträglich eingebaut, so kommt es bei einer Nichteinhaltung einer exakt gleichen Einbauhöhe bei allen Reifendrucksensoren zu unterschiedlichen Messungen, so daß beispielsweise bei einem in allen vier Rädern gleichen Reifendruck vier verschiedene Meßwerte angezeigt würden, da die Reifendrucksensoren jeweils eine andere Zentrifugalbeschleunigung erfahren. Der gleiche Effekt tritt ebenfalls dann auf, wenn die Einbauhöhe des jeweiligen Reifendrucksensors exakt eingehalten wird und wenn ein Winkel zwischen einer Senkrechten auf der Sensormembran und dem jeweiligen Radradius für jeden der Reifendrucksensoren unterschiedlich ist. In diesem Fall wirkt senkrecht zu der jeweiligen Membran bei Beschleunigung jeweils eine unterschiedliche Kraft, die ebenfalls zu einem Meßfehler führt.
Zur Vermeidung der obenstehend beschriebenen Problematik können die Reifendrucksensoren bereits beim Einbau genau justiert werden, so daß beispielsweise auf alle vier Sensoren stets die gleiche Kraft bei Beschleunigung wirkt. Dieser Ansatz ist jedoch kostspielig und bei einem nachträglichen Einbau der Reifensensoren nur schwierig zu realisieren.
Darüber hinaus kann eine Verrechnung einer Raddrehzahl in einer Zentraleinheit zur Kompensation der Beschleunigungsfehler durchgeführt werden. Dazu sollte der Zentraleinheit, die einen korrigierten Druckwert anzeigt, neben einem Druckmeßwert p auch eine Raddrehzahl ω und eine sensorspezifische Konstante γ bekannt sein, die einen Zusammenhang zwischen Beschleunigung und Druckfehler herstellt. Für einen in Oberflächenmikromechanik aufgebauten Sensor mit einer Geldicke h₁ über einer Sensorzelle und einer Geldichte ρ₁ gilt für den Druckmeßwert p: p = p0 + ah1ρ1,wobei a eine Beschleunigung senkrecht zur Membranebene und p₀ ein realer Reifeninnendruck ist.
Der Faktor γ berechnet sich demnach zu γ = h₁ρ₁cosα, wobei α ein Winkel zwischen einer Senkrechten auf einer Sensormembran und einem Radradius ist. Eine Zentrifugalbeschleunigung bei einer Raddrehzahl ω kann basierend auf dem Zusammenhang a = rω² bestimmt werden, wobei r ein Einbauradius ist.
Bei dem obenstehend beschriebenen Verfahren muß der Zentraleinheit daher auch eine Einbaulage der Sensoren genau bekannt sein. Darüber hinaus ist der Ansatz für nachträglich eingebaute Systeme (after marked) nur dann geeignet, wenn die Systeme mit einem Wert der Raddrehzahl versorgt werden können.
Die DE 44 34 318 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messwerterfassung und Messwertverarbeitung. Bei einer Messwerterfassung und Messwertverarbeitung sind sensorimmanente Störsignale zu ermitteln, die sich additiv zu einem zu ermittelnden Messwert verhalten. Um die Störgrößenbeiträge bei der Messwertkorrektur berücksichtigen zu können, sind diese vor jeder Ermittlung von Messwerten zunächst festzustellen. Es wird hierzu zusammen mit einem den Messwert erfassenden ersten Sensor zumindest ein zweiter Sensor eingesetzt, der in gleicher Umgebung wie der erste Sensor angeordnet ist, und dessen Störgröße mit der Störgröße des ersten Sensors zumindest korreliert. Mit beiden Sensoren wird in einem Kalibrierungsmodus eine Kalibrierungsfunktion zwischen dem ersten und zweiten Sensor durch Veränderung der Störgrößenbeträge ermittelt. Diese Kalibrierungsfunktion wird in einem anschließendem Messmodus zur Eliminierung von Störgrößenbeträgen genutzt. Dabei wird der von dem ersten Sensor gemessene Messwert von dem entsprechenden Wert auf der Kalibrierungsfunktion abgezogen, wodurch der Messwert um den für den augenblicklichen Umgebungszustand gegebenen Störgrößenbetrag korrigiert wird. Der Restbetrag gibt dann den störgrößenfreien, tatsächlichen Messwert wieder.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein effizientes Konzept zur Druckerfassung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 oder gemäß Patentanspruch 15 oder durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 16 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine genaue Druckmessung von einem Drucksensor durchgeführt werden kann, der eine erste und eine zweite Druckerfassungseinrichtung aufweist, die jeweils sich voneinander unterscheidende Druckmeßsignale liefern. Sind die Abhängigkeiten des ersten und des zweiten Druckmeßsignals von einer Störung (beispielsweise einer Beschleunigung) und/oder von einem Nutzdruck (beispielsweise aufgrund einer jeweils unterschiedlichen Druckempfindlichkeit der ersten und der zweiten Druckerfassungseinrichtung) bekannt, so kann der Nutzdruck auf der Basis der jeweiligen Druckmeßsignale sowie der jeweiligen Abhängigkeiten von der Störung und/oder von dem Nutzdruck derart bestimmt werden, so daß ein Fehler bei der Bestimmung der Beschleunigung minimiert wird.
Erfindungsgemäß wird eine Kompensation der Beschleunigung auf der Basis von Meßdaten durchgeführt, was wesentlich anwendungsfreundlicher ist. Dabei können die erste und die zweite Druckerfassungseinrichtung auf einem Chip (on-chip) integriert werden. Bevorzugt wird hierzu beispielsweise neben der eigentlichen Druckmeßzelle, die sich beispielsweise in einer Chipmitte befindet, eine weitere Druckmeßzelle integriert, die sich beispielsweise am Rand des Chips befindet. Je nach Montagevariante befindet sich über dieser randnahen Meßzelle im Falle von beispielsweise oberflächenmikromechanischen Siliziumdrucksensoren entweder eine dickere Gelschicht oder eine andersartige Vergußmasse (Globetop). Daher wird die randnahe Druckmeßzelle unter einem Beschleunigungseinfluß einen anderen Wert messen als die zentrale Druckmeßzelle. Die unterschiedliche Reaktion der beiden Meßzellen kann nun zu einer On-Chip-Kompensation der Beschleunigung genutzt werden, indem man die beiden Meßwerte in geeigneter Weise verrechnet.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß aufgrund von zwei Druckerfassungseinrichtungen, die in einem Drucksensor angeordnet sind, eine genaue Druckmessung unabhängig von einer Einbauposition des Drucksensors möglich ist. Insbesondere bei einer Beschleunigung kann so deren messwertverfälschende Wirkung effizient kompensiert werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der Drucksensor integrierbar ist, da sowohl die erste als auch die zweite Druckerfassungseinrichtung auf einem Chip integriert werden können. Aus diesem Grund sind auch die Herstellungs- sowie Einbaukosten eines derartig aufgebauten Drucksensors gering.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die erste und die zweite Druckerfassungseinrichtung des Drucksensors bereits im Vorfeld kalibriert werden können, um die Störabhängigkeiten der jeweiligen Druckerfassungseinrichtung zu bestimmen. Dadurch können die erfindungsgemäßen Drucksensoren bereits während eines Herstellungsprozesses justiert werden, wodurch ferner eine teure und ungenaue Sensorjustierung bei einem Einbau entfällt. Dies ist insbesondere für nachträglich eingebaute Sensorsysteme von Vorteil, bei denen in bereits fertig produzierte Räder Drucksensoren eingebaut werden, was stets mit Einbauungenauigkeiten verbunden ist. Erfindungsgemäß entfällt eine nachträgliche Justage bei nachträglich eingebauten Drucksensoren, wodurch ferner sowohl die Montagekosten als auch etwaige Meßungenauigkeiten gesenkt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß, wenn der Drucksensor integriert ist, die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung ebenfalls auf dem Chip integriert werden kann. Dadurch wird eine Notwendigkeit eines Einbaus einer Zentraleinheit zur Auswertung der jeweiligen Druckmeßsignale vermieden, wodurch die Drucksensorkosten sowie ein Montageaufwand gesenkt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß zu einer Druckmessung bei bewegten Objekten erfindungsgemäß auch Siliziumdrucksensoren in Oberflächenmikromechanik eingesetzt werden können, da, wie es bereits erwähnt worden ist, die aufgrund der Schutzschicht unter Umständen starke Durchbiegung der Membran bei Beschleunigung kompensiert werden kann, weil die etwaige Störabhängigkeit der jeweiligen Druckerfassungseinrichtung bereits a priori be stimmt werden kann. Erfindungsgemäß wird daher ein neues Anwendungsfeld für derartige Drucksensoren erschlossen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß bereits existierende Sensorelemente zum Herstellen des erfindungsgemäßen Sensors verwendet werden können. Durch eine mögliche On-Chip-Kompensation der Beschleunigungseffekte können die erfindungsgemäßen Drucksensoren ferner systemunabhängig und daher flexibel eingesetzt werden.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß zu einer Eliminierung der mit der Beschleunigung zusammenhängenden Effekte kein zusätzlicher Beschleunigungssensor notwendig ist, da der erfindungsgemäße Drucksensor bereits über zwei Druckerfassungseinrichtungen verfügt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4 ein Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors dargestellt. Der Drucksensor umfaßt eine erste Druckerfassungseinrichtung 101, die ein erstes Druckmeßsignal 103 liefert. Der Drucksensor weist ferner eine zweite Druckerfassungseinrichtung 105 auf, die ein zweites Druckmeßsignal 107 liefert. Sowohl das erste Druckmeßsignal 103 als auch das zweite Druckmeßsignal 107 werden von einer Auswerteeinrichtung 109 empfangen. Die Auswerteeinrichtung liefert ein Ausgangssignal 111, das den Nutzdruck charakterisiert.
Die erste Druckerfassungseinrichtung 101 ist ausgebildet, um den Nutzdruck zu messen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß die erste Druckerfassungseinrichtung 101 eine erste Membran aufweist, die das erste Druckmeßsignal 103 auf der Basis einer Verformung (z. B. Durchbiegung) bei Nutzdruck liefert. Analog ist die zweite Druckerfassungseinrichtung 105 ausgebildet, um den Nutzdruck beispielsweise mit Hilfe einer zweiten Membran, die auf der Basis einer Verformung bei Nutzdruck das zweite Druckmeßsignal 107 liefert, zu erfassen. Das erste Druckmeßsignal 103 unterscheidet sich dabei erfindungsgemäß von dem zweiten Druckmeßsignal 107. Dieser Unterschied kann dadurch realisiert werden, daß das erste Druckmeßsignal 103 beispielsweise von dem Nutzdruck und von einer Störung, die beispielsweise eine Beschleunigung sein kann, eine erste Störabhängigkeit aufweist. Das zweite Druckmeßsignal 107 hingegen hängt ebenfalls von dem Nutzdruck ab und weist eine zweite Störabhängigkeit von der Störung auf. Die Auswerteeinrichtung 109 bestimmt dabei den Nutzdruck auf der Basis des ersten und des zweiten Druckmeßsignals sowie der ersten und der zweiten Störabhängigkeit, die sich jeweils voneinander unterscheiden.
Der Unterschied zwischen dem ersten Druckmeßsignal 103 und dem zweiten Druckmeßsignal 107 kann erfindungsgemäß einer derartigen Gestalt sein, daß das erste Druckmeßsignal 103 eine ersten Nutzdruckabhängigkeit von dem Nutzdruck und eine Störabhängigkeit von einer Störung, beispielsweise einer Beschleunigung, aufweist. Das zweite Druckmeßsignal 107 weist eine zweite Nutzdruckabhängigkeit von dem Nutzdruck sowie die Störabhängigkeit von der Störung auf, wie das bei dem ersten Druckmeßsignal 103 der Fall ist. Sowohl die erste Nutzdruck abhängigkeit des ersten Druckmeßsignals als auch die zweite Nutzdruckabhängigkeit des zweiten Druckmeßsignals 107 können dadurch realisiert werden, daß die erste Druckerfassungseinrichtung 101 und die zweite Druckerfassungseinrichtung 105 eine unterschiedliche Druckempfindlichkeit aufweisen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, daß die erste Druckerfassungseinrichtung 101 eine erste Membran zum Liefern des ersten Druckmeßsignals 103 aufweist und die zweite Druckerfassungseinrichtung 105 eine zweite Membran zum Liefern des zweiten Druckmeßsignals 107 aufweist, wobei sich die erste und die zweite Membran beispielsweise bei Nutzdruck unterschiedlich verformen.
Weist das erste Druckmeßsignal 103 die erste Störabhängigkeit von der Störung auf und weist das zweite Druckmeßsignal 107 die zweite Störabhängigkeit von der Störung auf, so ist die Auswerteeinrichtung 109 ausgebildet, um auf der Basis des ersten und des zweiten Druckmesssignals sowie der ersten und der zweiten Störabhängigkeit den Nutzdruck zu bestimmen. Dabei kann die erste und die zweite Störabhängigkeit bereits im Vorfeld durch eine Justierung des erfindungsgemäßen Drucksensors bestimmt werden, so daß sie der Auswerteeinrichtung 109 zur Verfügung steht. Ist die erste und die zweite Störabhängigkeit von der Störung bekannt, so ist es stets möglich, die Störung derart zu kompensieren, daß der Nutzdruck genau bestimmt werden kann.
Ist der in 1 prinzipiell dargestellte Drucksensor in einem Reifen eines Automobils eingebaut, so sind die erste Druckerfassungseinrichtung 101 sowie die zweite Druckerfassungseinrichtung 105, falls auf einem Chip integriert, benachbart. Dabei kann die Auswerteeinrichtung 109 ebenfalls auf dem Chip integriert sein. Denkbar ist es jedoch ebenfalls, daß die Auswerteeinrichtung 109 an einer anderen Stelle eingebaut ist. In diesem Fall kann die erste Druckerfassungseinrichtung 101 sowie die zweite Druckerfassungseinrichtung 105 beispielsweise per Luftschnittstelle mit der Auswerteeinrichtung 109 kommunizieren. Des weiteren ist es ebenfalls denkbar, daß die erste Druckerfassungseinrichtung 101 und die zweite Druckerfassungseinrichtung 105 räumlich voneinander getrennt, beispielsweise in einem Autoreifen, derart angeordnet sind, daß sie Druckmeßsignale liefern, die sich jeweils voneinander unterscheiden.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Fall verdeutlicht, bei dem der Drucksensor auf einem Chip integriert ist.
Der in 2 dargestellte Drucksensor weist einen Chip 201 auf, auf dessen oberen Oberfläche eine erste Druckerfassungseinrichtung 203, die beispielsweise eine erste Membran umfasst, sowie eine zweite Druckerfassungseinrichtung 205, die beispielsweise eine zweite Membran umfasst, angeordnet sind. Dabei sind beide Druckerfassungseinrichtungen (beide Membranen) voneinander beabstandet. Über der ersten Druckerfassungseinrichtung 203 ist ein erstes elastisches Material 207 angeordnet, das in einem Bereich über der ersten Druckerfassungseinrichtung 203 eine Dicke h₁ sowie eine erste Dichte aufweist. Über der zweiten Druckerfassungseinrichtung 205 ist ein zweites elastisches Material 209 angeordnet, das in einem Bereich über der zweiten Membran 205 eine Dicke h₂ sowie eine zweite Dichte aufweist. Das zweite elastische Material 209 ist darüber hinaus derart angeordnet, daß es den Chip 201 jeweils seitlich umschließt, ohne jedoch das erste elastische Material 207 abzudecken.
Bei dem ersten elastischen Material 207 kann es sich beispielsweise um ein Gel handeln, das zur Medientrennung eingesetzt wird. Das zweite elastische Material 209 hingegen dient zu einer Abdeckung des Drucksensors mit Ausnahme des Bereichs, wo das erste elastische Material 207 angeordnet ist. Bei dem zweiten elastischen Material 209 kann es sich beispielsweise um ein Globetop handeln.
Im folgenden wird die Funktionsweise des in 2 dargestellten Drucksensors erklärt.
Ein Meßwert der ersten Druckerfassungseinrichtung 203 lautet: p1 = p0 + ah1ρ1 = p0 + pg,dabei bezeichnen p₁ einen Meßwert, p₀ einen Nutzdruck, a eine Beschleunigung des Drucksensors, ρ₁ eine erste Geldichte und p_g einen durch die Beschleunigung insgesamt hervorgerufenen Druckmeßfehler.
Der Meßwert der zweiten Druckmeßeinrichtung 205 lautet hingegen: p2 = αp0 + ah2ρ2 = αp0 + pg/β
Dabei bezeichnet p₂ einen Meßwert, ρ₂ ist eine zweite Geldichte. Der Faktor α berücksichtigt, daß die zweite Druckeinrichtung 205 aufgrund ihrer Lage unter dem Globetop 209 gegebenenfalls eine andere Druckempfindlichkeit aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt, berücksichtigt der Faktor α die Druckempfindlichkeit der zweiten Druckmeßeinrichtung.
Durch
ist ein Verhältnis der ersten Störabhängigkeit (Zähler) von der Störung (Beschleunigung) und der zweiten Störabhängigkeit (Nenner) von der Störung definiert. Mit Hilfe des Faktors β wird somit den unterschiedlichen Störabhängigkeiten der Druckerfassungseinrichtungen 203 und 205 Rechnung getragen.
Aus den beiden Meßgrößen p₁ und p₂ läßt sich nun der korrigierte Druck p₀ (Nutzdruck) berechnen:
Dabei ist A eine Konstante, die von α und β abhängt. Für eine Beschleunigungskorrektur reicht es daher, den Korrekturwert βp₂ von dem Meßwert p₁ zu subtrahieren. Somit kann der Nutzdruck p₀ im wesentlichen auf der Basis einer Subtraktion der Meßgrößen p₁ und den mit β gewichten p₂ bestimmt werden.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Fall dargestellt, bei dem die über der jeweiligen Druckerfassungseinrichtung 201 und 205 angeordneten Materialien jeweils eine unterschiedliche Dichte sowie eine unterschiedliche Dicke über der jeweiligen Druckerfassungseinrichtung aufweisen. An dieser Stelle sei jedoch angemerkt, daß die Dicke des ersten elastischen Materials 207 und des zweiten elastischen Materials 209 identisch sein können, wenn sich die beiden Materialien in ihrer Dichte voneinander unterscheiden. In diesem Fall würde der Faktor β nur ein Verhältnis der ersten und der zweiten Dichte liefern.
Erfindungsgemäß kann es sich jedoch bei dem ersten elastischen Material und bei dem zweiten elastischen Material um ein identisches Material handeln, so dass keine unterschiedlichen Materialdichten zur Verfügung stehen. Unterscheidet sich in diesem Falle die Materialdicke über der jeweiligen Druckerfassungseinrichtung, so liefert der Faktor β ein Verhältnis der beiden Höhen und ist ungleich 1, so daß der Nutzdruck p₀ ebenfalls bestimmt werden kann.
Unterscheiden sich die erste und die zweite Druckmeßzelle 203 und 205 aufgrund ihrer Konstruktion in ihrer Empfindlichkeit auf die Störgröße (Beschleunigung), so ist es erfindungsgemäß ebenfalls denkbar, dass sowohl die Dichten des über der jeweiligen Druckmesszelle angeordneten elastischen Materials als auch ihre Dicken gleich sind. Der Druck p₀ kann dann in ähnlicher weise wie im Fall unterschiedlicher Materialien bestimmt werden.
Anhand der oben diskutierten Beispiele bezüglich des Faktors β wurde verdeutlicht, daß erfindungsgemäß der Druck p₀ stets dann berechnet werden kann, wenn sich die von der jeweiligen Druckmeßzelle gelieferten Druckmeßsignale voneinander unterscheiden. Dabei ist es ebenfalls denkbar, daß die Druckmeßzellen die gleiche Druckempfindlichkeit aufweisen. In diesem Fall würde der Faktor α zu 1, so daß sich aufgrund des dann notwendigerweise unterschiedlichen Faktors β, der, wie oben beschrieben, eingestellt werden kann, der Nutzdruck p₀ stets berechnen läßt.
In Abhängigkeit davon, ob sich die Dichten der jeweiligen elastischen Materialien voneinander unterscheiden und ob ihre Höhen unterschiedlich sind, ändert sich auch die erste und die zweite Störabhängigkeit. In dem anhand von 2 diskutierten Ausführungsbeispiel hängt sowohl die erste als auch die zweite Störabhängigkeit von der jeweiligen Höhe h₁ oder h₂ sowie von der ersten oder der zweiten Dichte des ersten oder des zweiten elastischen Materials ab. Weisen das erste und das zweite elastische Material jeweils identische Dichten auf, so hängt die erste Störabhängigkeit von der Höhe h₁ ab und die zweite Störabhängigkeit hängt von der zweiten Höhe h₂ ab. Unterscheiden sich analog die beiden elastischen Materialien lediglich in ihren Dichten, d. h. daß sie jeweils eine identische Höhe über der jeweiligen Druckmeßzelle aufweisen, so hängt die jeweilige Störabhängigkeit von der jeweiligen Dichte ab. Es ist jedoch denkbar, daß die jeweilige Störabhängigkeit von der Störung, die in diesem Fall die Beschleunigung ist, eine andere Gesetzmäßigkeit aufweist, die sich beispielsweise aufgrund eines unterschiedlichen Chipaufbaus einstellt. Dies wäre beispielsweise dann der Fall, wenn über dem ersten elastischen Material ein weiteres elastisches Material angeordnet wäre. In diesem Fall würde beispielsweise im Zähler von der Formel, die den Faktor β beschreibt, ein weiterer aditiver Faktor auftreten.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung. In 3 ist beispielhaft eine Anordnung der ersten Druckerfassungseinrichtung 203 (Druckmeßzelle) sowie der zweiten Druckerfassungseinrichtung 205 (Hilfszelle) auf dem Chip 201 verdeutlicht. Der Chip 201 weist ferner Anschlüsse 301 auf, die beispielsweise zu einer Spannungsversorgung sowie zu einem Datenaustausch vorgesehen sind.
4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Auswerteeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Auswerteeinrichtung umfaßt einen Subtrahierer 401 mit einem ersten Eingang 403, einem zweiten Eingang 405 sowie einem Ausgang 407. Mit dem zweiten Eingang 405 ist ein Ausgang eines Multiplizierers 409 gekoppelt, der einen ersten Multiplizierereingang 411 und einen zweiten Multiplizierereingang 413 aufweist. Darüber hinaus weist die in 4 dargestellte Auswerteeinrichtung ein Trimmregister 415 auf, dessen Ausgang mit dem zweiten Multiplizierereingang 413 gekoppelt ist.
Im folgenden wird die Funktionsweise der in 4 dargestellten Auswerteeinrichtung diskutiert.
Die in 4 dargestellte Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, um die obenstehend beschriebene Formel für den Druck p₀ zu bestimmen. Hierzu wird in dem Trimmregister 415 der Faktor β eingespeichert und dem Multiplizierer 409 zur Verfügung gestellt. Wird an den ersten Multiplizierereingang 411 das zweite Druckmeßsignal p₂ angelegt, so liegt an dem zweiten Eingang 405 des Subtrahierers 401 das mit β bewertete zweite Druckmeßsignal p₂ an. Wird an den ersten Eingang 403 das erste Druckmeßsignal p₂ angelegt, so erscheint an dem Ausgang 407 des Multiplizierers p₀(1 – αβ).
Der Parameter β ist dabei trimmbar gestaltet. Der Sensor kann daher in beispielsweise einem Shaker gemessen und individuell abgeglichen werden, wie es bereits obenstehend ausgeführt worden ist.
Im folgenden wird anhand eines Zahlenbeispiels eine Auswertegenauigkeit verdeutlicht.
Werden im folgenden die in der untenstehenden Tabelle zusammengefaßten Werte angenommen,

h₁ ρ₁ h₂ ρ₂

250 μm 1.200 kg/m³ 500 μm 1.200 kg/m³

so errechnet sich der Koeffizient β zu 0,5.
Für eine Dämpfung der zweiten Druckerfassungseinrichtung 205 (Hilfsmeßzelle) wird weiter mit einem Faktor α = 0,5 gerechnet, um die Fehlergrößenordnungen beispielhaft zu bestimmen. An dieser Stelle sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Faktor α ebenfalls im Vorfeld durch Kalibriermaßnahmen bestimmt werden kann. Beispielweise wird hierzu der Drucksensor einem Referenzdruck ausgesetzt, der eine genaue Justierung der jeweiligen Druckempfindlichkeiten ermöglicht. Mit dem angenommenen Parameter α liefert die in 4 dargestellte Auswerteeinrichtung an ihrem Ausgang 407 ein Ausgangssignal von 0,75 p₀.
Bei einer Beschleunigung von 1.750 g beträgt der Druckfehler p_g = 1.750 × 10 m/s² × 250 × 10^–6 m × 1.200 kg/m³ = 5.250 Pa = 52,5 mbar.
Wenn die Geldicke h₁ und die Globetopdicke h₂ mit einer Genauigkeit von ±10% aufgebracht werden können, ließe sich der Fehler erfindungsgemäß auch ohne eine individuelle Kalibrierung des Koeffizienten β auf ±20% kompensieren. Im oben genannten Beispiel würde der Druckfehler also auf maximal 0,2 × 52,5 mbar = 10,5 mbar reduziert.
In Abhängigkeit davon, wie die Drucksensoren ausgestaltet sind, wird bevorzugt zunächst ein erstes Druckmeßsignal erzeugt, das von dem Nutzdruck und von einer Störung eine erste Störabhängigkeit aufweist, und es wird ein zweites Druckmeßsignal erzeugt, das von dem Nutzdruck und von" einer Störung eine zweite Störabhängigkeit aufweist. Alternativ dazu kann ein erstes Druckmeßsignal erzeugt werden, das von dem Nutzdruck einer ersten Nutzdruckabhängigkeit und von einer Störung, beispielsweise einer Beschleunigung, eine Störabhängigkeit aufweist, und es wird ein zweites Druckmeßsignal erzeugt, das von dem Nutzdruck eine zweite Nutzdruckabhängigkeit und von der Störung die Störabhängigkeit aufweist, wobei die Störabhängigkeit bei dem ersten und bei dem zweiten Druckmeßsignal identisch sein kann. Danach wird der Nutzdruck auf der Basis des ersten und des zweiten Druckmeßsignals sowie auf der Basis der ersten Störabhängigkeit und der zweiten Störabhängigkeit bzw. auf der Basis der ersten Nutzdruckabhängigkeit und der zweiten Nutzdruckabhängigkeit bestimmt. Dabei unterscheiden sich jeweils die erste Störabhängigkeit von der zweiten Störabhängigkeit sowie die erste Nutzdruckabhängigkeit von der zweiten Nutzdruckabhängigkeit.
Die Auswerteeinrichtung kann erfindungsgemäß auch ausgebildet sein, um den Nutzdruck auf der Basis einer Differenz einer von dem ersten Druckmeßsignal abhängigen Größe und einer von dem zweiten Druckmeßsignal abhängigen Größe zu bestimmen. Weisen beispielsweise beide Druckerfassungseinrichtungen unterschiedliche Druckempfindlichkeiten auf, die jeweils, anders als es im Zusammenhang mit dem in 2 diskutierten Ausführungsbeispiel, beide geringer als 1 sind, so kann beispielsweise die von dem ersten Druckmeßsignal abhängige Größe das mit einem Kehrwert der Druckempfindlichkeiten bewertete erste Druckmeßsignal sein und die von dem zweiten Druckmeßsignal abhängige Größe das mit dem Kehrwert der Differenz der Druckempfindlichkeiten bewertete zweite Druckmeßsignal sein.
Abhängig von den Gegebenheiten kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen eines Nutzdrucks in Hardware oder – zumindest teilweise – in Software implementiert werden. Die Implementierung kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, daß das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein umfasst die Erfindung somit auch ein Computerprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung zumindest von Teilen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit unter Verwendung eines Computerprogramms mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

101: erste Druckerfassungseinrichtung
103: erstes Druckmeßsignal
105: zweite Druckerfassungseinrichtung
107: zweites Druckmeßsignal
109: Auswerteeinrichtung
201: Chip
203: erste Druckerfassungseinrichtung
205: zweite Druckerfassungseinrichtung
207: erstes elastisches Material
209: zweites elastisches Material
301: Anschlüsse
401: Subtrahierer
403: erster Eingang
405: zweiter Eingang
407: Ausgang
409: Multiplizierer
411: erster Multipliziereingang
413: zweiter Multipliziereingang
415: Trimmregister

Claims

Drucksensor zum Erfassen eines Nutzdrucks mit folgenden Merkmalen: einer ersten Druckerfassungseinrichtung (101; 203) zum Liefern eines ersten Druckmeßsignals, das von dem Nutzdruck abhängt und von einer Störung eine erste Störabhängigkeit aufweist; einer zweiten Druckerfassungseinrichtung (105; 205) zum Liefern eines zweiten Druckmeßsignals, das von dem Nutzdruck abhängt und von der Störung eine zweite Störabhängigkeit, die sich von der ersten Störabhängigkeit unterscheidet, aufweist; und einer Auswerteeinrichtung (109) zum Bestimmen des Nutzdrucks auf der Basis des ersten und des zweiten Druckmeßsignals, der ersten Störabhängigkeit und der zweiten Störabhängigkeit, wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) eine erste Membran und die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) eine zweite Membran aufweisen; wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) ausgebildet ist, um das erste Druckmeßsignal auf der Basis einer Verformung der ersten Membran zu liefern; wobei die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) ausgebildet ist, um das zweite Druckmeßsignal auf der Basis einer Verformung der zweiten Membran zu liefern; wobei über der ersten Membran ein erstes elastisches Material (207) einer ersten Dichte angeordnet ist und wobei über der zweiten Membran ein zweites elastisches Material (209) einer zweiten Dichte angeordnet ist; wobei die erste Störabhängigkeit von einer Dicke des ersten elastischen Materials (207) und der ersten Dichte abhängt und wobei die zweite Störabhängigkeit von einer Dicke des zweiten elastischen Materials (209) und der zweiten Dichte abhängt; und wobei die erste Dichte von der zweiten Dichte unterschiedlich ist oder die Dicke des ersten elastischen Materials (207) von der Dicke des zweiten elastischen Materials (209) unterschiedlich ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1, bei dem das erste elastische Material (207) und das zweite elastische Material (209) identisch sind, wobei die erste Dichte gleich der zweiten Dichte ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Störung von einer Beschleunigung des Drucksensors abhängt.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Membran eine Druckempfindlichkeit auf Nutzdruck aufweist, die sich von einer Druckempfindlichkeit der zweiten Membran auf Nutzdruck unterscheidet.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste und die zweite Membran der ersten und der zweiten Druckerfassungseinrichtung (101, 103; 203, 205) eine identische Druckempfindlichkeit auf Nutzdruck aufweisen.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) und die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) oberflächenmechanische Siliziumdrucksensoren sind.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, um den Nutzdruck auf der Basis einer Differenz einer von dem ersten Druckmeßsignal abhängigen Größe und einer von dem zweiten Druckmeßsignal abhängigen Größe zu bestimmen.
Drucksensor gemäß Anspruch 7, bei dem die von dem zweiten Druckmeßsignal abhängige Größe von dem zweiten Druckmeßsignal sowie von einem Verhältnis der ersten und der zweiten Störabhängigkeit abhängt.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die erste und die zweite Druckerfassungseinrichtung (101, 105; 203, 205) auf einem Chip (201) integriert sind.
Drucksensor gemäß Anspruch 9, wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) in einer Chipmitte des Chips (201) angeordnet ist und wobei die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) an einem Rand des Chips (201) angeordnet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 9 oder 10, bei dem über der ersten Druckerfassungseinrichtung (101; 203) eine dünne Gel-Schicht angeordnet ist, und bei dem über der zweiten Druckerfassungseinrichtung (105; 205) eine dicke Gel-Schicht angeordnet ist.
Drucksensor gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei über der ersten Druckerfassungseinrichtung (101; 203) das erste elastische Material (207) angeordnet ist, und wobei über der zweiten Druckerfassungseinrichtung (105; 205) das zweite elastisches Material (209) angeordnet ist, wobei das zweite elastische Material (209) ferner angeordnet ist, um den Chip (201) seitlich zu umschließen.
Drucksensor gemäß Anspruch 12, wobei das zweite elastische Material (209) den Chip (201) seitlich umschließt, ohne das erste elastische Material (207) abzudecken.
Drucksensor gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das erste elastische Material (207) eine Gel-Schicht ist, und wobei das zweite elastische Material eine Vergussmasse ist.
Chip (201) mit einem Drucksensor zum Erfassen eines Nutzdrucks mit folgenden Merkmalen: einer ersten Druckerfassungseinrichtung (101; 203) zum Liefern eines ersten Druckmeßsignals, das von dem Nutzdruck abhängt und von einer Störung eine erste Störabhängigkeit aufweist; einer zweiten Druckerfassungseinrichtung (105; 205) zum Liefern eines zweiten Druckmeßsignals, das von dem Nutzdruck abhängt und von der Störung eine zweite Störabhängigkeit, die sich von der ersten Störabhängigkeit unterscheidet, aufweist, wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) und die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) auf dem Chip (201) integriert sind; und einer Schnittstelle (301) zum Kommunizieren mit einer außerhalb des Chips angeordneten Auswerteeinrichtung (109) zum Bestimmen des Nutzdrucks auf der Basis des ersten und des zweiten Druckmeßsignals, der ersten Störabhängigkeit und der zweiten Störabhängigkeit, wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) eine erste Membran und die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) eine zweite Membran aufweisen; wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) ausgebildet ist, um das erste Druckmeßsignal auf der Basis einer Verformung der ersten Membran zu liefern; wobei die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) ausgebildet ist, um das zweite Druckmeßsignal auf der Basis einer Verformung der zweiten Membran zu liefern; wobei über der ersten Membran ein erstes elastisches Material (207) einer ersten Dichte angeordnet ist und wobei über der zweiten Membran ein zweites elastisches Material (209) einer zweiten Dichte angeordnet ist; wobei die erste Störabhängigkeit von einer Dicke des ersten elastischen Materials (207) und der ersten Dichte abhängt und wobei die zweite Störabhängigkeit von einer Dicke des zweiten elastischen Materials (209) und der zweiten Dichte abhängt; und wobei die erste Dichte von der zweiten Dichte unterschiedlich ist oder die Dicke des ersten elastischen Materials (207) von der Dicke des zweiten elastischen Materials (209) unterschiedlich ist.
Verfahren zum Erfassen eines Nutzdrucks mit folgenden Schritten: Erzeugen eines ersten Druckmeßsignals, das von dem Nutzdruck abhängt und von einer Störung eine erste Störabhängigkeit aufweist, in einer ersten Druckerfassungseinrichtung (101; 203); Erzeugen eines zweiten Druckmeßsignals, das von dem Nutzdruck abhängt und von der Störung eine zweite Störabhängigkeit aufweist, in einer zweiten Druckerfassungseinrichtung (101; 203) wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) eine erste Membran und die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) eine zweite Membran aufweisen; wobei die erste Druckerfassungseinrichtung (101; 203) ausgebildet ist, um das erste Druckmeßsignal auf der Basis einer Verformung der ersten Membran zu liefern; wobei die zweite Druckerfassungseinrichtung (105; 205) ausgebildet ist, um das zweite Druckmeßsignal auf der Basis einer Verformung der zweiten Membran zu liefern; wobei über der ersten Membran ein erstes elastisches Material (207) einer ersten Dichte angeordnet ist und wobei über der zweiten Membran ein zweites elastisches Material (209) einer zweiten Dichte angeordnet ist; wobei die erste Störabhängigkeit von einer Dicke des ersten elastischen Materials (207) und der ersten Dichte abhängt und wobei die zweite Störabhängigkeit von einer Dicke des zweiten elastischen Materials (209) und der zweiten Dichte abhängt; und wobei die erste Dichte von der zweiten Dichte unterschiedlich ist oder die Dicke des ersten elastischen Materials (207) von der Dicke des zweiten elastischen Materials (209) unterschiedlich ist; und Bestimmen des Nutzdrucks auf der Basis des ersten und des zweiten Druckmeßsignals, der ersten Störabhängigkeit und der zweiten Störabhängigkeit.