DE69016346T2

DE69016346T2 - Messaufnehmer mit Selbsteichfunktion.

Info

Publication number: DE69016346T2
Application number: DE69016346T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Kaneyasu; Hiroshi Kuroiwa; Satoshi Shimada; Seiko Suzuki; Shigeki Tsuchitani; Seiichi Ugai; Yoshihiro Yokota
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-10-20
Filing date: 1990-10-11
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-10-12
Also published as: US5391283A; DE69016346D1; US5174884A; EP0423622B1; KR0175300B1; DE69032031D1; EP0606115B1; DE69032031T2; EP0423622A1; EP0423622B2; KR910008380A; JPH03134552A; DE69016346T3; US5574211A; US5429736A; EP0606115A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zur Erfassung einer physikalischen Größe von einem Wert eines von einer physikalischen Größe konvertierten elektrischen Signals, insbesondere auf einen Detektor mit Selbsteichfunktion und Charakteristik-Korrekturfunktion.

Stand der Technik:

Bisher war ein konventioneller Detektor, wie zum Beispiel in JP-A-61-31952 offenbart, so angeordnet, daß die Meßoperation gestoppt wird, um eine als Offline-Task ausgeführte Eichoperation zu starten. Außerdem ist in JP-A-61-212753 eine Einrichtung beschrieben, die durch Analyse der am Detektor beobachteten Charakteristik eine Verschlechterung erfassen kann. Auch die Einrichtung dieses Typs führt aber die Operation zur Verschlechterungsdiagnose als Offline-Task aus.
Die konventionelle Eichung wurde zu dem Zweck realisiert, Offline-Tasks zu automatisieren. Außerdem sollte die Zuverlässigkeit eines Detektors durch Beobachtung der Leitung und gegebenenfalls Auslösen eines Alarms als Online-Task verbessert werden. Da jedoch keine Maßnahme zur Durchführung der Eichung als Online-Task ergriffen wurde, stellt sich das Problem, daß die Messung während einer Zeit gestoppt wird, die, verglichen mit der Zeit, in der sich der Meßwert ändern kann, relativ lang ist.
US-A-4 225 851 offenbart ein Detektorsystem zur Messung der Belastung bei rotierenden Turbinenelementen unter Betriebsbedingungen. Um Rauscheffekte innerhalb des Systems zu minimieren, wird ein Eichsignal zur Anpassung einer Verstärkung zugeführt. US-A-4 673 870 beschreibt eine Feldsonde, die sich dadurch eichen läßt, daß die Sonde in ein bekanntes Standardfeld gebracht wird. WO-A-89/03019, von der der Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgeht, bezieht sich auf ein System zur Eichung eines Sensorsystems und zur Speicherung der Eichungshistorie des Sensors in einem nicht flüchtigen Speicher.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Detektor bereitzustellen, der eine Selbstdiagnose durchführen kann, um Fehler - insbesondere solche, die aus einer Verschlechterung resultieren - zu korrigieren. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen kompakten Detektor bereitzustellen, der selbstdiagnosefähig und einfach herzustellen ist.
Diese Aufgaben werden durch die in den unabhängigen Ansprüchen dargelegte Erfindung gelöst.
Die Zeit für die Diagnose bzw. die Korrektur-Operation sollte wesentlich kürzer sein als die Zeit, innerhalb der sich der Meßwert ändern kann. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Meßdaten gegen Störungen bzw. Fehler aufgrund der während der Meßoperation durchgeführten Eichung bzw. Korrektur-Operation geschützt werden müssen. Seit kurzem stehen aufgrund des Fortschritts der LSI-Technologie für das Gerät zur elektrischen Signalverarbeitung sehr schnelle ICs zur Verfügung. Bei der so realisierten Geschwindigkeit der elektrischen Signalverarbeitung sind einige 10 bis 100 ms ausreichend, was den Wert der für die Durchführung von Messungen in Automobilen benötigten Zeit darstellt, bei denen sich die zu messenden Werte in einer relativ kurzen Zeit ändern. Es gilt also, die für den Betrieb der Detektoreinrichtung verwendete Zeit zu verkürzen. Dementsprechend verwendet die vorliegende Erfindung eine neben der Detektoreinrichtung angeordnete Stimulationseinrichtung für die Stimulation und den Betrieb der Detektoreinrichtung. Es läßt sich eine Struktur realisieren, bei der ein kleiner Sensor bzw. Detektor mit einer Größe von zum Beispiel einigen hundert Mikrometern und ein Stellorgan, d. h. die Stimulationseinrichtung, mittels der kürzlich erheblich verbesserten Mikro-Technologie für Silicium oder ähnliches integriert werden können. Deshalb kann eine kompakte und integrierte Stimulationseinrichtung ein Stimulationssignal ohne Verzögerung an den Detektor liefern.
Weiterhin ist es notwendig, dem Detektor ein genaues Stimulationssigal zuzuführen und die Reaktion des Detektors korrekt zu messen. Deshalb wird entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Aufbau verwendet, bei dem dem Detektor über eine Signalverarbeitungsschaltung mit einem genauen, hochauflösenden Analog/Digital-Wandler ein Stimulationssignal zugeführt wird. Ferner wird das für den Detektor typische elektrische Ansprechsignal verarbeitet. Außerdem führt ein Mikrocomputer einen geeigneten Selbstdiagnose-Algorithmus genau und schnell durch.
Um die andere Aufgabe der Erfindung zu lösen, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Aufbau verwendet, bei dem die Verarbeitungseinrichtung mit einer Kommunikations-Funktion ausgestattet ist, wobei die Selbsteichung und die Korrektur der Charakteristik durch eine andere Kommunikationseinrichtung von einer entfernten Stelle aus instruiert und das Ergebnis der Selbstdiagnose sowie der Korrektur der Charakteristik bestätigt werden.
Der Detektor gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß die Stimulationseinrichtung neben der Detektoreinrichtung integriert ist, so daß das Eichsignal durch die Stimulationseinrichtung zugeführt werden kann. So läßt sich die Verzögerung der Antwort vom Detektor erheblich verkürzen. Außerdem kann zur Verkürzung der Zeit für die Selbstdiagnose im Verhältnis zu der Zeit, in der sich die zu messenden Werte verändern, eine sehr schnelle Signalverarbeitungsschaltung verwendet werden. So kann der Ausgang des Detektors auch dann vor Störungen geschützt werden, wenn die Selbstdiagnose während der Meßoperation erfolgt. Eine sogenannte "Online-Diagnose" ist also durchführbar.
Außerdem wird die während der Operation erhaltene Charakteristik immer aufgrund eines Vergleichs mit der Anfangscharakteristik des Detektors, basierend auf einer Diagnose und einem in der Verarbeitungseinrichtung vorher vorbereiteten Korrekturalgorithmus, korrigiert. So läßt sich die Anfangsleistung beibehalten und die Zuverlässigkeit erheblich verbessern.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im folgenden weiter veranschaulicht:

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 zeigt ein Blockschaltdiagramm für eine Signalverarbeitungseinrichtung;
Figuren 3 bis 6 zeigen den Betrieb einer elektrostatischen Kapazität als Drucksensor;
Figuren 7A und 7B zeigen Flußdiagramme des Betriebs eines Mikrocomputers;
Figuren 8 bis 11 zeigen den Betrieb von Halbleiter-Beschleunigungssensoren;
Figuren 12 bis 13 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel des Beschleunigungssensors;
Figur 14 zeigt die Kennlinien eines Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in Abhängigkeit von einem Luftüberschußfaktor;
Figur 15 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinien des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis;
Figur 16 zeigt die Ausgangskennlinien des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis;
Figur 17 zeigt den Aufbau eines Sensors mit Selbstdiagnosefunktion; und
Figur 18 zeigt die Selbstdiagnoseoperation. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE Bezugnehmend auf Figur 1 wird der Grundaufbau eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bezugsziffer 1 stellt die Detektoreinrichtung dar, Bezugsziffer 2 die neben der Detektoreinrichtung 1 angeordnete und mit ihr integrierte Stimulationseinrichtung. Bezugsziffer 3 stellt eine Baugruppe, bestehend aus dem Detektor 1 und der Stimulationseinrichtung 2, dar. Bezugsziffer 4 stellt eine gemäß Figur 2 aufgebaute Signalverarbeitungseinrichtung dar, die die Detektoreinrichtung 1 und die Stimulationseinrichtung 2 mit einer Versorgungsspannung Ex für den Betrieb versorgt und das der Stimulationseinrichtung 2 zuzuführende Eichsignal verarbeitet. Weiterhin ist die Signalverarbeitungseinrichtung 4 mit einer sogenannten "Signaleinstellfunktion" ausgestattet, die ein Ansprech-Ausgangssignal der Detektoreinrichtung 1 verstärken bzw. konvertieren kann. Außerdem hat die Sigalverarbeitungseinrichtung 4 eine Funktion zur Eichung des Eingangs bzw. Ausgangs sowie eine Charakteristik-Korrekturfunktion, die mittels Digitaldatenverarbeitung durch einen Mikrocomputer 44 realisiert wird. Bezugsziffer 5 bezeichnet einen Detektor mit den oben beschriebenen Elementen. Gewöhnlich konvertiert der Detektor eine physikalische Eingangsgröße wie einen Druck, eine Entladung oder eine Beschleunigung in eine digitale Größe mit einer bestimmten Anzahl von Bits für den Ausgang. Bezugsziffer 7 bezeichnet eine Kommunikationseinrichtung zum Senden/Empfangen eines Kommandosignals und eines Ausgangssignals zu bzw. von der Signalverarbeitungseinrichtung 4, wobei die Kommunikationseinrichtung 7 außerdem eine Anzeigefunktion für das Kommando- und das Ausgangssignal aufweist.
Figur 2 zeigt den spezifischen Aufbau einer Schaltung, die als Signalverarbeitungseinrichtung 4 dient. Als Reaktion auf ein vom Mikrocomputer 44 mit einem Speicher 45 erteiltes Kommando wird ein Multiplexer 411 so betrieben, daß er den Empfang des von der Detektoreinrichtung 1 gesendeten Ausgangssignals durch einen Verstärker 412a und einen Analog/Digital-Wandler bewirkt. Infolgedessen wird das so empfangene Ausgangssignal in ein Digitalsignal umgewandelt. Entsprechend dem durch das Digitalsignal dargestellten Wert liefert die Signalverarbeitungseinrichtung 4 die Versorgungsspannung Ex oder das Eichsignal über einen weiteren Verstärker 412b an die Stimulationseinrichtung 2. Infolgedessen kann ein genaues Detektorsignal zur Fehlerkorrektur erhalten werden.
Im folgenden wird, bezugnehmend auf einen mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Drucksensor, das Prinzip der Bereichs-Eichoperation beschrieben, um die Erfindung im Detail zu beschreiben.
Wie in Figur 3 zu sehen, ist bei dem mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Drucksensor eine durch eine Druckdifferenz ΔP verschiebbare Elektrodenplatte 2 zwischen Elektrodenplatten 1a und 1b angeordnet, deren jede eine Fläche A aufweist. Der Abstand zwischen jedem Elektrodenpaar der Elektrodenplatten beträgt X&sub0;, solange keine Druckdifferenz auftritt. Außerdem sind die Räume zwischen den Elektroden mit einer Substanz einer Dielektrizitätskonstante &epsi; ausgefüllt.
Tritt eine Druckänderung auf, so verschiebt sich die mittlere Elektrode, wie in Figur 4 zu sehen, um ΔX. Da die Verschiebung im wesentlichen proportional zur Druckänderung ist, gilt die Beziehung (ΔX = k ΔP), wobei k die Compliance (Reziprokwert zur Federkonstante) ist.
Unter der Annahme, daß sich k mit der Zeit ändert, kann k als Funktion der Zeit T ausgedrückt werden, also k(T). Als Folge der oben beschriebenen Verschiebung der mittleren Elektrodenplatte 2 ergibt sich eine Kapazitätsänderung ΔC zwischen den Kapazitäten C&sub1; und C&sub2;, wobei C&sub1; die Kapazität zwischen den Elektroden 1a und 2 und C&sub2; die Kapazität zwischen den Elektroden 1b und 2 darstellt.
Bei der in Figur 5 dargestellten Schaltung läßt sich die Kapazitätsänderung ΔC aufgrund der Druckänderung durch folgende Gleichung beschreiben:
Hierbei ist E die Erregerspannung, e die zu erfassende Spannung und ΔC die Differenz C&sub2;-C&sub1;. Alternativ hierzu läßt sich die Spannung durch die geladene Druckdifferenz ΔP wie folgt ausdrücken:
Wie aus der oben beschriebenen Gleichung (2) zu ersehen, ändert sich die erfaßte Spannung emax, also der Ausgangsbereich, zeitlich bei maximaler Druckdifferenz ΔPmax, wenn sich die Compliance k zeitlich ändert.
Die Spannung V der mittleren Elektrode wird zur Verschiebung Δxv aufgrund der elektrostatischen Kraft angelegt, so daß die zu diesem Zeitpunkt generierte Ausgangsspannung e zum Zwecke der Eichung der oben beschriebenen Bereichsänderung, basierend auf der obigen Beziehung, gemessen wird.
Zuerst wird die Eichspannung V (siehe Figur 5) entsprechend der folgenden Gleichung (3) ausgewählt:
V = E/2 + v ...(3)
Jedoch hat unter der Annahme (v « E/2) die Verschiebung aufgrund der Spannung einen Wert, der durch ΔX (siehe Figur 6) ausgedrückt und durch folgende Gleichung (4) gegeben ist:
Die Ausgangsspannung e zu diesem Zeitpunkt ist durch folgende Gleichung beschrieben:
Der Bereich kann also, da sich k(T) durch Verändern von V ermitteln läßt, geeicht werden.
Im folgenden wird die Prozedur beschrieben.
Definitionsgemäß haben die Ausgänge bei Anlegen der Eichspannungen V&sub1; und V&sub2; die Werte e&sub1; und e&sub2;. Um aus Gleichung (5) den vom Druck abhängenden Ausdruck zu eliminieren, wird folgende Rechnung durchgeführt:
Ferner ist das Verhältnis zu Δe bei anfänglichem T = 0 gegeben durch:
Durch die Verwendung des so erhaltenen d läßt sich der Eichausgang durch folgende Gleichung erhalten:
= d e (wobei v = 0).
Die Figuren 7A und 7B zeigen Flußdiagramme für einen vom Mikrocomputer auszuführenden Prozeß. Figur 7A zeigt die Hauptroutine, bei der die gewöhnliche Meß-Task der Route 1 folgt. Auf der Route 1 wird die Detektorspannung e bei v = 0 in Gleichung (5) gemessen, um durch Multiplikation mit dem Eichkoeffizienten d die Eichspannung zu erhalten. Daraus wird die Eichspannung , die der letzte erfaßte Wert ist, erhalten. Der oben beschriebene Eichkoeffizient d wird längs der Route 2 ermittelt. Das Programm für den Mikrocomputer weist eine in Figur 7B dargestellte Eichmeß-Unterroutine auf, die den Differenzwert Δe zwischen den Detektorspannungen e&sub1; und e&sub2; ermittelt, wobei die Detektorspannungen e&sub1; und e&sub2; durch Messungen erhalten werden, bei denen die Eichimpulsspannungen V&sub1; und V&sub2; angelegt werden.
Die Eichung umfaßt eine Anfangseichung und eine optionale Eichung. Die Anfangseichung erfolgt bei der Auslieferung des Produkts aus einer Produktionsanlage, wobei sie so ausgeführt wird, daß ein Anfangsdifferenzwert (Δe-init) durch den Prozeß längs Route 3 berechnet und gespeichert wird. Die Route 2 wird als optionale Eichung durchlaufen, wobei der momentane Differenzwert (Δe-present) ermittelt wird, um den Eichkoeffizienten d zu erhalten, der das Verhältnis zu Δe- init angibt. Der so erhaltene Eichkoeffizient d wird zur Aktualisierung des vorherigen Wertes gespeichert.
Wie oben beschrieben, läßt sich der Druck, dessen Empfindlichkeitsdrift durch die durch Multiplikation der Detektorspannung e mit dem Eichkoeffizienten d erhaltenen Eichspannung korrigiert wird, ermitteln.
Die Figuren 8 und 9 zeigen jeweils den grundsätzlichen Aufbau eines mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden und eines mit piezoelektrischen Widerstand arbeitenden Halbleiter-Beschleunigungssensors, die zwei typische Ausführungsbeispiele darstellen, wobei die Sensoren in Silicium-Mikrotechnologie hergestellt werden.
Der Beschleunigungssensor ermittelt eine Beschleunigung durch Messen einer Trägheitskraft, die bei Beschleunigung auf eine bestimmte Masse wirkt. Jeder der in den Figuren 8 und 9 dargestellten Beschleunigungssensoren ist so aufgebaut, daß durch anisotropes Ätzen auf einem mittleren Siliciumsubstrat 51 eine Last 53 und ein die Last 53 haltender Tragarm 54 ausgebildet sind. Bei einer Beschleunigung α wirkt eine Trägheitskraft E&sub1; = mα auf die Last (Masse m) und bewirkt eine Verschiebung dieser Last. Andererseits wirkt der Tragarm als Feder, so daß er auf die Last eine durch F&sub2; = ax ausgedrückte Federkraft F&sub2; überträgt, wobei a eine Federkonstante und x die Verschiebung ist und die Federkraft F&sub2; in umgekehrter Richtung zur Verschiebung wirkt. Folglich verschiebt sich die Last in die Position, an der die oben beschriebenen Kräfte miteinander im Gleichgewicht sind. Aus der Funktion F&sub1; = F&sub2;x ergibt sich die Verschiebung x zu:
x = md/a ...(I)
Die Beschleunigung α läßt sich also aus der Verschiebung x ermitteln.
Der in Figur 8 dargestellte mit elektrostatischer Kapazität arbeitende Beschleunigungssensor umfaßt eine obere feste Elektrode 55a und eine untere feste Elektrode 55b. Diese befinden sich auf der Oberfläche des oberen Substrats 52a bzw. des unteren Substrats 52b, die an das mittlere Siliciumsubstrat 51 grenzen. Der mit elektrostatischer Kapazität arbeitende Beschleunigungssensor mißt die Beschleunigung, indem die Verschiebung x nach Gleichung (I) aus der elektrostatischen Kapazität zwischen den festen Elektroden und der Last (verschiebbare Elektrode) ermittelt wird.
Außerdem ist der in Figur 9 dargestellte, mit einem piezoelektrischen Widerstand arbeitende Beschleunigungssensor so aufgebaut, daß ein Meßabschnitt 58 mit einer Störstoff-Diffusionszone auf dem Tragarm 54 gebildet ist. Wird die Last 53 durch eine Beschleunigung verschoben, so verformt sich der Tragarm 54; dies bewirkt eine Veränderung des elektrischen Widerstands des Meßabschnitts 58 durch den Effekt des piezoelektrischen Widerstands. Die Verschiebung läßt sich aus dem elektrischen Widerstand des Eichabschnitts erhalten, so daß die Beschleunigung ermittelt wird.
So läßt sich durch die Signalverarbeitungsschaltung, die die elektrostatische Kapazität zwischen der Last und den festen Elektroden bzw. den elektrischen Widerstand des Eichabschnitts verarbeitet, ein der Beschleunigung entsprechendes Ausgangssignal V(α) erhalten. Da der Ausgang und die Beschleunigung α gewöhnlich so verarbeitet werden, daß eine lineare Beziehung beibehalten wird, läßt sich der Ausgang V(α) durch folgende Gleichung beschreiben:
V(α) = pα + q ...(II)
Es wird angenommen, daß sich der Beschleunigungssensor, aus welchen Gründen auch immer, mit der Zeit verändert. Handelt es sich um eine Veränderung, bei der die Beziehung zwischen der Beschleunigung und dem Ausgang im wesentlichen linear bleibt, so ist der Ausgang eine Funktion der Zeit. Der Ausgang läßt sich also wie folgt beschreiben:
V(α,t) = p(t)α + q(t) ...(III)
Ist der Bereich p(t) und der Nullpunkt q(t) der Beschleunigungs-Ausgangscharakteristik (III) genau bekannt, so läßt sich die Beschleunigung α durch Messung des Ausgangs V(α,t) genau bestimmen.
Sind p(t) und q(t) in Gleichung (III) unbekannt, so können sie dadurch erhalten werden, daß auf irgendeine Weise zwei voneinander verschiedene Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; erzeugt und die den beiden Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; entsprechenden Ausgänge V(α&sub1;,t) und V(α&sub2;,t) gemessen werden; p(t) und q(t) lassen sich dann aus dem folgenden Gleichungssystem ermitteln:
Andererseits entspricht die Beschleunigung α der durch die Gleichung (I) gegebenen Verschiebung x der Last. Folglich ist die Bestimmung der Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; gleichbedeutend mit der Bestimmung der Verschiebungen x&sub1; und x&sub2;, die den Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; entsprechen. Aus den Gleichungen (I) und (IV) lassen sich also folgende Beziehungen erhalten:
wobei p'(t) = kp(t)/m ...(VI)
Die in Gleichung (5) vorbestimmten Verschiebungen x&sub1; und x&sub2; lassen sich relativ einfach realisieren. Das heißt, der Aufbau kann so sein, daß die Last durch ein Stellorgan zwangsverschoben wird und sich die Charakteristik des Sensorausgangs V(x,t) bei den vorbestimmten Verschiebungen x&sub1; und x&sub2; deutlich verändert. Alternativ kann der Aufbau aber auch so sein, daß eine weitere Verschiebung gehemmt wird.
Die Figuren 10 und 11 zeigen Beispiele des oben beschriebenen Aufbaus, bei dem Anschläge 60a und 60b jede über ein bestimmtes Maß hinausreichende Verschiebung verhindern, selbst wenn eine Beschleunigung bzw. eine externe Kraft auf die Last wirkt. Sind die bei Kontakt der Lasten mit den Anschlägen 60a und 60b erhaltenen Verschiebungen x&sub1; und x&sub2; vorher bekannt, so lassen sich p(t) und p(t) durch die Messen der Ausgänge V(x&sub1;,t) und V(x&sub2;,t) zu diesem Kontaktzeitpunkt nach den Gleichungen (V) und (VI) erhalten.
Um die Last zu einem gewünschten Zeitpunkt zu verschieben und sie im Falle des mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Sensors mit den Anschlägen zu kontaktieren, wird zwischen der Last und der oberen festen Elektrode 55a bzw. der unteren festen Elektrode 55b eine Spannung angelegt, welche die elektrostatische Kapazität und die elektrostatische Kraft zwischen diesen beiden bewirkt. Im Falle des mit einem piezoelektrischen Widerstand arbeitenden Sensors werden die obere feste Elektrode 55a und die untere feste Elektrode 55b gebildet und zwischen der Last und der oberen festen Elektrode 55a bzw. der unteren festen Elektrode 55b Spannung angelegt.
Wie oben beschrieben, kann die zeitliche Änderung der Beschleunigungsausgangs-Charakteristik durch eine einfache Berechnung auf der Grundlage des durch periodisches Anlegen einer Spannung zwischen den festen Elektroden und der Last erhaltenen Ausgangs korrigiert werden. Die Korrektur läßt sich sogar durchführen, wenn auf den Sensor eine Beschleunigung wirkt.
Entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Verschiebung der Last gemessen und die Beschleunigung aus der so gemessenen Verschiebung erhalten. Als typischer Beschleunigungssensor ist auch ein Servo-Beschleunigungssensor bekannt. Der Servo-Sensor ist so gebaut, daß die Verschiebung der Last gemäß einer Beschleunigung gemessen wird und das die Verschiebung repräsentierende Signal rückgekoppelt wird. Weiterhin wirkt als Reaktion auf das Signal, auf welche Weise auch immer, im Sensor eine entgegengerichtete Kraft auf die Last, so daß diese in ihre ursprüngliche Position zurückgestellt wird. Da die Stärke der Rückkopplung der Größe der Beschleunigung entspricht, wird die Beschleunigung aus der Rückkopplung erhalten. Entsprechend diesem Verfahren ist die Verschiebung, unabhängig von der Beschleunigung, im wesentlichen konstant.
Ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Verschiebung oft durch das Verfahren der elektrostatischen Kapazität bzw. des piezoelektrischen Widerstands gemessen. Außerdem wird entsprechend der Rückkopplung eine Kraft auf die Last ausgeübt, wobei es sich um eine elektrostatische oder um eine magnetische Kraft handelt.
Bei dem Servo-Sensor ist die Beziehung zwischen dem Endausgangssignal und der Beschleunigung gewöhnlich durch die Gleichung (II) ausgedrückt. Es wird angenommen, daß neben der der Rückkopplung entsprechenden Kraft im Servosystem eine zweite Kraft F auf die Last wirkt. Der Ausgang des Sensors zu diesem Zeitpunkt läßt sich durch folgende Gleichung beschreiben:
V(α,F) = p(α + F/m) + q ...(VII)
Wirken vorbestimmte Kräfte F&sub1; und F&sub2;, so gelten folgende Beziehungen:
Durch Subtraktion der unteren Gleichung von der oberen erhält man die folgende Gleichung:
V(α,F&sub1;) - V(α,F&sub2;) = p(F&sub1; - F&sub2;)/m ...(IX)
Sind V(α, F&sub1;), V(α, F&sub2;), F&sub1;, F&sub2; und m bekannt, so läßt sich p ermitteln.
Wird der Sensor durch ein Stellorgan, z.B. einen Motor, bei unveränderter Einwirkung der Kraft F (F kann 0 sein) auf den Kopf gestellt, so kehrt sich die Richtung der Beschleunigung sowie die der zweiten auf den Sensor wirkenden Kraft um. Der Ausgang ist also wie folgt beschrieben:
V(-α, -F) = p(-α, -F/m) + q ...(X)
Durch Addition der Gleichungen (7) und (10) erhält man folgende Beziehung:
V(α, F) + V(-α, -F) = 2q ...(XI)
q läßt sich also aus Gleichung (XI) ermitteln.
Die Figuren 12 und 13 zeigen jeweils spezielle Beispiele für den Aufbau des Sensors. Figur 12 zeigt den Aufbau für die Messung einer Verschiebung unter Verwendung der elektrostatischen Kapazität, Figur 13 zeigt den Aufbau für die Messung einer Verschiebung unter Verwendung des piezoelektrischen Widerstands. Bei beiden Geräten wirkt, durch Verwendung der elektrostatischen Kraft zur Bildung eines Servosystems, die der Rückkopplung entsprechende Kraft sowie die zweite Kraft auf die Last. Die Bezugsziffern 61a und 61b bezeichnen Elektroden für die Erkennung der der Verschiebung entsprechenden elektrostatischen Kapazität. Die Bezugsziffern 62a und 62b bezeichnen Elektroden für die Anwendung der elektrostatischen Kraft für den Servo-Effekt. Die Bezugsziffern 63a und 63b bezeichnen Elektroden für die Anwendung der elektrostatischen Kraft mit dem Zweck, die zweite Kraft auf die Last anzuwenden. Diese Elektroden können in Kombination verwendet werden, indem eine Schaltung für das Servo-System und das zur Zuführung einer elektrostatischen Kraft, mit entsprechendem Aufbau, eingerichtet wird.
Da die Verschiebung der Last im Servo-Sensor im wesentlichen konstant ist, ist der Zwischenraum zwischen jeder der beiden eine elektrostatische Kraft ausübenden Elektroden 63a und 63b und der Last konstant. Deshalb lassen sich die konstanten Kräfte F&sub1; und F&sub2; aus Gleichung (VIII) leicht durch Ändern der an die die elektrostatische Kraft ausübenden Elektroden 63a und 63b angelegten Spannung erhalten. Die Größe der jeweiligen Kräfte F&sub1; und F&sub2; läßt sich also ermitteln, wenn die Elektrodenflächen, die Größe der Zwischenräume und der anzulegende Spannungspegel vorher bekannt sind.
Entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ergibt sich ein Vorteil dadurch, daß die zeitliche Änderung der Beschleunigungsausgangs-Charakteristik des Servo-Beschleunigungssensors korrigiert werden kann.
Ferner wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem der Sensor mit Selbstdiagnose-Funktion als Sensor für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis für ein Automobil verwendet wird. Figur 14 stellt die Beziehung zwischen dem Luftüberschußfaktor λ, der Abgasdichte und der elektromotorischen Kraft dar. Wie allgemein bekannt ist, steigt die Restsauerstoffdichte mit dem Luftüberschußfaktor λ im mageren Bereich (λ > 1) an, während die Dichte der unverbrannten Gase wie Kohlenmonoxid und Wasserstoff im fetten Bereich (λ < 1) mit kleiner werdendem Luftüberschußfaktor λ ansteigt. Bisher wurde, um der Autoabgasvorschrift zu entsprechen, ein die elektromotorische Kraft eλ benutzender O&sub2;-Sensor als Schlüsselsensor für die Motorsteuerung verwendet, der um das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1) eine Stufen-Ausgangs-Charakteristik aufweist. Der O&sub2;-Sensor entspricht jedoch nicht hinreichend dem Wunsch, den Ausgang im fetten Bereich zu vergrößern und die Reinigung der Abgase bei stöchiometrischem Luft/Kraftstoff-Verhältnis sowie die Wirtschaftlichkeit im mageren Bereich zu verbessern, da der O&sub2;- Sensor nur das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis erfassen kann. Aus diesem Grund bestand Bedarf an einem Sensor für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, der den Luftuberschußfaktor λ innerhalb eines großen Bereichs vom fetten bis zum mageren Gemisch erkennt, um eine optimale Verbrennungssteuerung des Motors zu erreichen. Dementsprechend ist ein Sensor für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis bekannt, der das Diffusionssteuerphänomen der verschiedenen oben genannten Gasanteile in einem Gasdiffusionsfilm sowie das Sauerstoffpumpenphänomen eines Zirkonerde-Festelektrolyten verwendet.
Figur 15 zeigt ein Beispiel der V-I-Charakteristik eines Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des oben beschriebenen Typs. Dabei ist das Verhältnis zwischen der an einen Detektorabschnitt angelegten Erregerspannung E und dem durch den Pumpenabschnitt fließenden elektrischen Pumpenstrom IP dargestellt. Wie in der Zeichnung zu sehen, hat der elektrische Pumpenstrom IP innerhalb eines bestimmten Bereichs der Erregerspannung einen vorbestimmten Wert. Der vorbestimmte Wert ist ein durch den Diffusionswiderstand R im Gasdiffusionsfilm sowie durch den Luftüberschußfaktor λ festgelegter Wert: Er heißt "kritischer Stromwert". Der Luftüberschußfaktor λ wird vom Pegel des kritischen Stromwerts IP aus gemessen.
Der Diffusionswiderstand R verändert sich in Abhängigkeit von der Anhaftung von Staub an den Gasdiffusionsfilm und von Mikrorissen in dem Gasdiffusionsfilm, was eine entsprechende Änderung des kritischen Stromwertes IP bewirkt. Im Falle der Staubanhaftung an den Gasdiffusionsfilm wird der kritische Stromwert kleiner, da der Diffusionswiderstand größer wird. Umgekehrt verringert sich der Diffusionswiderstand im Falle der Mikrorissen und bewirkt ein Ansteigen des kritischen Stromwerts. In keinem der beiden oben beschriebenen Fälle kann der Luftüberschußfaktor λ genau erfaßt werden.
Figur 16 zeigt die durch die Umwandlung des dem Luftüberschußfaktors λ entsprechenden kritischen Stromwerts in die Ausgangsspannung V&sub0; erhaltene Charakteristik. Die Anfangscharakteristik des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist in der Zeichnung durch eine durchgezogene Linie dargestellt. Die bei größer werdendem Diffusionswiderstand R der Gasdiffusionsöffnungen erhaltene Ausgangscharakteristik ist durch eine Ein-Punkt-Linie dargestellt, während die bei verringertem Diffusionswiderstand R erhaltene Ausgangscharakteristik durch eine Zwei-Punkt-Linie dargestellt ist. Wie in der Zeichnung zu sehen, bleiben die Ausgangsspannungen am Nullpunkt des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, also bei den stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnispunkt (λ = 1), unverändert. Der Grund hierfür liegt darin, daß der kritische Stromwert, wie in Figur 15 dargestellt, am stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnispunkt null ist. Die Ausgangsspannungen ändern sich nur im fetten (λ < 1) bzw. mageren (λ > 1) Bereich, das heißt, es ändert sich lediglich die Empfindlichkeit des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis.
Ferner wird anhand von Figur 17 ein Sensor für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit Selbstdiagnosefunktion beschrieben. Dieser ist so aufgebaut, daß die Größe der durch Anlegen des Eichsignals verursachten Änderung der charakteristischen Variablen des Sensors gemessen und die zeitliche Änderung der Empfindlichkeit entsprechend dem elektrischen Signal und der Größe der Änderung der charakteristischen Variablen des Sensors korrigiert wird.
Bezugnehmend auf Figur 17 umfaßt der Detektorabschnitt des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis einen Zirkonerde-Festelektrolyten 100, poröse Elektroden 101 und 102 sowie einen Gasdiffusionsfilm 103. Der Zirkonerde-Festelektrolyt 100 hat eine Rohrform mit der porösen Elektrode 101 auf ihrer inneren Oberfläche sowie der porösen Elektrode 102 und dem Gasdiffusionsfilm 103 auf ihrer äußeren Oberfläche. Die poröse Elektrode 101 ist der Atmosphäre ausgesetzt, während die poröse Elektrode 102 und der Gasdiffusionsfilm 103 den Abgasen ausgesetzt sind, wobei der Zirkonerde-Festelektrolyt 100 als Trennwand dient.
Die Detektoreinrichtung umfaßt einen Schalter 104 und einen Abschnitt 105 zur Messung des kritischen Stroms IP, während die Stimulationseinrichtung einen Abschnitt 106 zur Speisung eines vorbestimmten Stromes IP* umfaßt. Eine Verarbeitungseinrichtung 107 weist die Selbsteichfunktion und nach Möglichkeit einen Mikrocomputer auf. Figur 17 zeigt schematisch, daß der die Kontakte 108, 109 und 110 umfassende Schalter 104 so angeordnet ist, daß der Abschnitt 106 für die Lieferung des vorbestimmten Stromes IP* in Betrieb ist, wenn eine Verbindung zwischen den Kontakten 108 und 109 hergestellt ist, und daß bei einer Verbindung zwischen den Kontakten 108 und 110 der Abschnitt 105 zur Messung des kritischen Stromes IP in Betrieb ist. Ist keine Verbindung zwischen dem Kontakt 108 und den Kontakten 109 bzw. 110 aufgebaut, so befindet sich weder der Abschnitt 105 zur Messung des kritischen Stroms IP noch der Abschnitt 106 für die Lieferung des vorbestimmten Stroms IP* in Betrieb.
Die Dichte des in den Abgasen enthaltenen Gases ändert sich entsprechend dem Luftüberschußfaktor λ. Deshalb wird der dem unverbrannten Gas wie Restsauerstoff und Kohlenmonoxid entsprechende kritische Strom IP mittels des Abschnitts 105 zur Messung des kritischen Stroms IP gemessen, wenn die Kontakte 108 und 110 miteinander verbunden sind. Die Ausgangscharakteristik des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis wird automatisch und periodisch diagnostiziert (zum Beispiel monatlich). Weist also der Luftüberschußfaktor λ kontinuierlich und über einen beträchtlichen Zeitraum einen vorbestimmten Wert auf (vorzugsweise das stöchiometrische Verhältnis λ = 1), so steuert der Selbstdiagnose-Funktionsabschnitt 107 den Schalter 104 so, daß eine Verbindung zwischen den Kontakten 108 und 109 hergestellt wird. Infolgedessen ist der Abschnitt 106 zur Lieferung des vorbestimmten Stromes IP* in Betrieb. Der Abschnitt 106 zur Lieferung des vorbestimmten Stroms IP* liefert zwingend das elektrische Eichsignal IP* an den Detektorabschnitt. Infolgedessen kann eine dem vorbestimmten Strom IP* entsprechende vorbestimmte Menge Sauerstoff von der der Atmosphäre ausgesetzten porösen Elektrode 101 durch den Zirkonerde-Festelektrolyt 100 an die dem Abgas ausgesetzte poröse Elektrode 102 geliefert werden.
Der so gelieferte Sauerstoff wird von der porösen Elektrode 102 über den Gasdiffusionsfilm 103 an das Abgas abgegeben. Da die Sauerstoffabgaberate von dem Diffusionswiderstand R des Gasdiffusionsfilms 103 abhängt, läßt sich die zeitliche Änderung der Empfindlichkeit des Luft/Kraftstoff-Sensors durch die Messung der Änderung des Sauerstoffgehalts an der Schnittstelle zwischen der porösen Elektrode 102 und dem Gasdiffusionsfilm 103 diagnostizieren. Im Falle eines großen Diffusionswiderstands R des Gasdiffusionsfilms 103 ist die Sauerstoffabgaberate klein, während die Abgaberate groß ist, wenn der Diffusionswiderstand klein ist.
Wie oben beschrieben, ist es ein Anzeichen für eine Verschlechterung der Empfindlichkeit des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, wenn die Sauerstoffabgaberate kleiner als die anfängliche Sauerstoffabgaberate ist. Umgekehrt ist es ein Anzeichen für eine Steigerung der Empfindlichkeit, wenn die Rate gestiegen ist. Unmittelbar nach Betreiben des Abschnitts 106 zur Lieferung des vorbestimmten Stroms IP* wird der Abschnitt 105 zur Messung des kritischen Stroms IP als Folge eines von dem Selbstdiagnose-Funktionsabschnitt 107 erteilten Befehls intermittierend betrieben. Infolgedessen wird die zeitliche Änderung der Sauerstoffabgaberate (also die zeitliche Änderung des Diffusionswiderstands) geschätzt. Ist die zeitliche Änderung des Diffusionswiderstands R bekannt, so läßt sich durch eine Korrektur der Empfindlichkeit des Luft/Kraftstoff-Sensors über den Selbstdiagnose-Funktionsabschnitt 107 eine dem Luftüberschußfaktor λ entsprechende genaue Ausgangsspannung VOUT erhalten.
Ferner wird anhand von Figur 18 ein Verfahren zur Diagnose der zeitlichen Änderung des Diffusionswiderstands R ausführlich beschrieben. Kurve (a) zeigt die Ausgangscharakteristik des Abschnitts 105 zur Messung des kritischen Stroms IP, (b) den Betriebszustand des Abschnitts 105 zur Messung des kritischen Stroms IP an, (c) den Betriebszustand des Abschnitts 106 zur Lieferung des vorbestimmten Stroms IP* an und (d) einen Zustand, in dem der Kontakt 108 vollständig offen ist.
Wie in Kurve (a) gezeigt, wird der Luftüberschußfaktor λ von λ' über λ (= 1) auf λ" geregelt, um ein richtiges Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erhalten, das dem Betriebs zustand, in dem sich das Automobil befindet, entspricht. Nach einer bestimmten Betriebsdauer bei einem stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis (λ = 1), wird der Kontakt 108 im Schalter 104 von Kontakt 110 auf 109 umgelegt. Infolgedessen wird der Abschnitt 106 zur Lieferung des vorbestimmten Stroms IP* während einer bestimmten Zeit (to) betrieben, so daß von der poröse Elektrode 101 zwingend Sauerstoff einer vorbestimmten Menge an die porösen Elektrode 102 geliefert wird. Ferner wird der Abschnitt 105 zur Messung des kritischen Stroms IP intermittierend betrieben, um die im Detektorabschnitt bewirkte Änderung des kritischen Stroms IP zu erfassen. Der erfaßte Strom IP wird allmählich größer, wie durch die Ein-Punkt-Linie der Kurve (a) dargestellt. Die Verringerung des Stroms IP auf einen vorbestimmten Pegel IPC geschieht innerhalb einer Zeit τ. Der Grund für die Verringerung des Pegels des Stroms IP liegt darin, daß an der Schnittstelle zwischen der porösen Elektrode 102 und dem Gasdiffusionsfilm 103 Sauerstoff an das Abgas abgegeben wird, was eine allmähliche Verringerung der Sauerstoffdichte an der Schnittstelle bewirkt.
Verringert sich der Diffusionswiderstand R des Gasdiffusionsfilms 103, so verkürzt sich die oben beschriebene Zeit τ im Verhältnis zum Anfangswert τ&sub0;. Umgekehrt verlängert sich die Zeit τ im Verhältnis zum Anfangswert τ&sub0;, wenn der Diffusionswiderstand größer wird. Deshalb führt die Selbstdiagnose-Funktionseinheit 107 eine Schaltkorrektur in der Weise durch, daß die Empfindlichkeit des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im erstgenannten Fall kleiner, im letztgenannten größer wird. Hieraus resultiert der Erhalt einer ständig genauen Ausgangsspannung VOUT.
Wie oben beschrieben, läßt sich die zeitliche Änderung der Empfindlichkeit entsprechend der Größe der durch ein angelegtes Eichsignal (IP*) verursachten Änderung der charakteristischen Variablen (IP) des Sensors für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis korrigieren.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann der Eichvorgang zusätzlich zum Meßvorgang durchgeführt werden. Deshalb kann ein genauer Ausgang ständig erfaßt werden.

Claims

1. Detektorsystem zur Erfassung einer physikalischen Größe als elektrische Größe, mit einer Detektoreinrichtung (1), einer Einrichtung zur Diagnose der Detektoreinrichtung und einer Signälverarbeitungseinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner eine Einrichtung (2) zur On-line- Stimulation der Detektoreinrichtung (1) unter Steuerung durch die Verarbeitungseinrichtung (4) aufweist, indem sie der Detektoreinrichtung (1) zu ihrer Aktivierung ein Stimulationssignal zuführt, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (4) das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (1), das aus einer durch das Stimulationssignal in ihr bewirkten Änderung resultiert, auswertet und den Zustand der Detektoreinrichtung (1) diagnostiziert.

2. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (4) das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (1) entsprechend der Größe der bei der Diagnose erfaßten Änderung korrigiert.

3. Detektorsystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Kommunikationseinrichtung (7) und eine Einrichtung zur Anzeige der Diagnoseergebnisse.

4. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (1), die Stimulationseinrichtung (2) und die Verarbeitungseinrichtung (4) auf einem Siliciumsubstrat ausgebildet sind.

5. Detektorsystem nach Anspruch 3, wobei die Kommunikationseinrichtung (7) mit mehreren Detektoreinrichtungen kommuniziert, deren jede einen Identifikationscode aufweist.

6. Detektorsystem nach Anspruch 4, wobei die Detektoreinrichtung (1) und die Stimulationseinrichtung (2) auf einem monokristallinen Siliciumsubstrat ausgebildet und durch anisotropes Ätzen unter Verwendung einer auf dem monokristallinen Siliciumsubstrat vorgesehenen Oxid- oder Nitridschicht als Maske gefertigt sind.

7. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (1) und die Stimulationseinrichtung (2) über Borsilikatglas elektrostatisch gekoppelt sind.

8. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (1) einen Spannung erzeugenden Körper mit einer piezoelektrischen Widerstandseinrichtung (58) umfaßt, wobei dem mittleren Abschnitt des die Stimulationseinrichtung (2) darstellenden, Spannung erzeugenden Körpers über eine elektrostatische Kapazität ein Eichspannungssignal zugeführt wird, und wobei der Widerstand der piezoelektrischen Widerstandseinrichtung gemessen und die Empfindlichkeit entsprechend der Widerstandsänderung geeicht wird.

9. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (1) eine veränderbare elektrostatische Kapazität mit einer beweglich gehaltenen Elektrode (53) und zumindest einer festen Elektrode (55a, 55b) ist, und wobei mittels einer von der beweglichen Elektrode (53) und einer weiteren festen Elektrode (55a, 55b) gebildeten, als Stimulationseinrichtung (2) dienenden elektrostatischen Kapazität ein Eichsignal zugeführt wird, um die Größe der veränderbaren elektrostatischen Kapazität zu messen und die Empfindlichkeit entsprechend der Kapazitätsänderung zu eichen.

10. Detektorsystem nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinrichtung (1) auf entgegengesetzten Seiten eines Festelektrolyten (100) ausgebildete Elektroden (101, 102), eine Gasdiffusionsschicht (103) und einen Meßabschnitt (105) für einen kritischen Strom umfaßt, wobei die Stimulationseinrichtung (2) eine Einrichtung (106) zur Bereitstellung eines vorgegebenen Stroms für die Zuführung eines Eichstromsignals aufweist, und wobei eine Dämpfungszeit des kritischen Stroms gemessen wird, um die Empfindlichkeit entsprechend der Dämpfungszeitänderung zu eichen.

11. Verfahren zur Verarbeitung von Daten in einer Einrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe als elektrische Größe, wobei ein Signal der Detektoreinrichtung (1) geeicht und eine Signalverarbeitung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet,

daß mittels einer Stimulationseinrichtung (2) der Detektoreinrichtung (1) zu ihrer Aktivierung on-line ein Stimulationssignal zugeführt wird,

daß das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung, das aus einer durch das Stimulationssignal in ihr bewirkten Änderung resultiert, gemessen wird, und

daß das Ausgangssignal zur Diagnose des Zustands der Detektoreinrichtung (1) ausgewertet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung entsprechend der Größe der während der Diagnose erfaßten Änderung korrigiert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Diagnose auf einen von einer Kommunikationseinrichtung aus gegebenen Befehl hin durchgeführt wird.