DE69032031T2 - Messaufnehmer mit Selbsteichfunktion - Google Patents

Messaufnehmer mit Selbsteichfunktion

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität arbeitenden Beschleunigungssensor mit einer Selbstkalibrierfunktion.
    • Stand der Technik
  • Bisher waren herkömmliche Detektoren so angeordnet, daß der Meßvorgang unterbrochen wird, um einen Kalibriervorgang zu beginnen, der als Offline-Tätigkeit durchgeführt wird, wie beispielsweise in JP-A-61-31952 offenbart ist. Weiterhin wurde in JP-A-61-212753 eine Vorrichtung offenbart, durch die eine Verschlechterung durch Analysieren der im Detektor beobachteten Eigenschaften diagnostiziert werden konnte. Die Vorrichtung dieses Typs führt jedoch als Offline- Tätigkeit auch den Vorgang des Diagnostizierens der Verschlechterung durch.
  • Die herkömmliche Kalibrierung wurde zum Automatisieren der Offline-Tätigkeit verwirklicht. Weiterhin gab es einen Vorschlag, daß die Zuverlässigkeit eines Detektors durch Beobachten der Leitung und, falls erforderlich, durch Ausgeben eines Alarms als Online-Tätigkeit verbessert wird. Da jedoch keine Maßnahme ergriffen wurde, um das Kalibrieren als Online-Tätigkeit vorzunehmen, tritt ein Problem auf, das darin besteht, daß die Messung für eine relativ lange Zeit im Vergleich zu der Zeit unterbrochen wird, in der der Wert der Messung geändert werden kann.
  • Aus GB-A-2 178 856 ist ein auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität arbeitender Beschleunigungssensor bekannt, der die Merkmale des ersten Teils des Anspruchs 1 aufweist. Bei diesem Sensor aus dem Stand der Technik wird die Technik des geschlossenen Regelkreises verwendet, bei der die Trägheitsmassenelektrode durch Anlegen einer Spannung in einer neutralen Position gehalten wird. Der Betrag dieser Spannung entspricht der auf den Sensor wirkenden Beschleunigung.
  • Aus DE-A-3 542 397 ist ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor bekannt, bei dem ein Stellglied in Form einer piezoelektrischen Platte vorgesehen ist, um den Sensorabschnitt zu diagnostizieren. Durch Anlegen einer Testspannung an die piezoelektrische Platte wird der Sensorabschnitt verformt, um eine Spannung zum Diagnostizieren dieses Abschnitts zu messen.
  • Weiterhin ist aus EP-A-0 368 446, die gemäß Art. 54(3) EPÜ als Stand der Technik anführbar ist, ein selbstkalibrierender Beschleunigungssensor vom Balkenwiderstandstyp bekannt, bei dem das Aufnahmesignal eines Balkenwiderstands verwendet wird, um die Beschleunigung zu messen und den Sensor zu diagnostizieren.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität arbeitenden Beschleunigungssensor vorzusehen, der eine einfache und zuverlässige Online-Diagnose und ein Verfahren dazu ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 3 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
  • Bei einem Sensor muß die Kalibrierung oder der Korrekturvorgang in einer Zeit abgeschlossen sein, die erheblich kürzer ist als die Zeit, in der der Wert der Messung geändert werden kann. Dies liegt daran, daß die Daten der Messung vor einer Störung oder einem Fehler durch die Kalibrierung oder den Korrekturvorgang, die oder der während des Meßvorgangs ausgeführt wird, geschützt werden müssen. Was den Vorgang zum Verarbeiten eines elektrischen Signals betrifft, sind in letzter Zeit durch den Fortschritt der LSI- Technologie Halbleiter-ICs mit einer erheblichen Geschwindigkeit verfügbar geworden. Daher kann die so verwirklichte Verarbeitungsgeschwindigkeit des elektrischen Signals die Zeit von einigen zehn bis 100 us erreichen, die erforderlich ist, um Messungen in Automobilen durchzuführen, in denen sich die zu messenden Werte in einer relativ kurzen Zeit ändern.
  • Dementsprechend wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Stimulationseinrichtung verwendet, die angrenzend an die Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist, um die Aufnahmeeinrichtung zu stimulieren und zu betätigen. Es kann ein Aufbau verwirklicht werden, bei dem ein kleiner Sensor, dessen Größe beispielsweise einige hundert um beträgt, und ein Stellglied, also die Stimulationsvorrichtung, durch Verwenden der Mikrostrukturherstellungstechnologie für Silicium oder ähnliches, die in letzter Zeit bemerkenswert weiterentwickelt worden ist, integriert ausgebildet werden können. Daher kann eine kompakte und integriert ausgebildete Stimulationsvorrichtung zur Stimulation ohne Verzögerung ein Kalibriersignal an den Detektor anlegen.
  • Der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise so aufgebaut, daß die Stimulationseinrichtung angrenzend an die Aufnahmeeinrichtung und integriert mit dieser so ausgebildet ist, daß das Kalibriersignal durch die Stimulationseinrichtung zugeführt werden kann. Daher kann die Verzögerung der Antwort vom Sensor im wesentlichen verhindert werden. Weiterhin kann eine sehr schnelle Signalverarbeitungsschaltung verwendet werden, um die zum Abschließen der Selbstkalibrierung erforderliche Zeit im Vergleich zu der Zeit zu verkürzen, in der sich die zu messenden Werte ändern. Daher kann die Ausgabe des Sensors selbst dann, wenn die Selbstkalibrierung während des Meßvorgangs ausgeführt wird, vor einer Störung geschützt werden. Daher kann eine sogenannte "Online-Kalibrierung" verwirklicht werden.
  • Weiterhin werden die während des Betriebs erhaltenen Eigenschaften stets in Übereinstimmung mit einem mit den anfänglichen Eigenschaften des Sensors vorgenommenen Vergleich auf der Grundlage eines zuvor in der Verarbeitungseinrichtung vorbereiteten Kalibrier- und Korrekturalgorithmus korrigiert. Daher kann die anfängliche Leistungsfähigkeit erhalten werden, wodurch die Zuverlässigkeit erheblich verbessert wird.
  • Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung verständlicher gemacht.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • In Fig. 1 ist der Grundaufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt;
  • Fig. 2 ist ein Schaltplan einer Signalverarbeitungseinrichtung; und
  • die Figuren 3 und 4 veranschaulichen die Arbeitsweise von Halbleiter-Beschleunigungssensoren.
    • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Mit Bezug auf Fig. 1 wird die Grundstruktur einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Eine Bezugszahl 1 stellt eine Aufnahmeeinrichtung dar, und 2 stellt eine Stimulationseinrichtung dar, die angrenzend an die Aufnahmeeinrichtung 2 angeordnet und integriert mit dieser ausgebildet ist. Eine Bezugszahl 3 stellt eine Baugruppe aus der Aufnahmeeinrichtung 1 und der Stimulationseinrichtung 2 dar. Eine Bezugszahl 4 stellt eine Signalverarbeitungseinrichtung dar, die so aufgebaut ist wie in Fig. 2 dargestellt ist und so eingerichtet ist, daß sie eine Leistungsversorgungsspannung Ex zum Betreiben der Aufnahmeeinrichtung 1 und der Stimulationseinrichtung 2 liefert und ein Kalibriersignal verarbeitet, das der Stimulationseinrichtung 2 zuzuführen ist. Weiterhin hat die Signalverarbeitungseinrichtung 4 eine sogenannte "Signaleinstellungsfunktion", die dazu in der Lage ist, ein reagierendes Ausgangssignal von der Aufnahmeeinrichtung 1 zu verstärken/umzuwandeln. Weiterhin hat die Signalverarbeitungseinrichtung 4 eine Funktion zum Kalibrieren der Ein-/Ausgabe und eine charakteristische Korrekturfunktion, die durch digitale Datenverarbeitung verwirklicht wird, welche von einem Mikrocomputer 44 ausgeführt wird. Eine Bezugszahl 5 stellt einen Detektor dar, welcher die oben beschriebenen Elemente enthält. Gewöhnlich wandelt der Detektor eine Beschleunigung in eine digitale Größe mit einer bestimmten Anzahl von Bits um, um diese auszugeben. Eine Bezugszahl 7 stellt eine Datenaustauschvorrichtung dar, die dazu in der Lage ist, ein Anweisungssignal für die Signalverarbeitungseinrichtung 4 und ein Ausgangssignal von dieser zu übertragen bzw. zu empfangen, wobei die Datenaustauschvorrichtung 7 weiterhin eine Funktion hat, das Anweisungssignal und das Ausgangssignal anzuzeigen.
  • In Fig. 2 ist die spezielle Struktur einer als Signalverarbeitungseinrichtung 4 dienenden Schaltung dargestellt. In Reaktion auf eine vom Mikroprozessor 44 mit einem Speicher 45 und einem Taktgeber 46 ausgegebene Anweisung wird ein Multiplexer 411 so betätigt, daß bewirkt wird, daß das von der Aufnahmeeinrichtung 1 übertragene Ausgangssignal von einem Verstärker 412a und einem Analog- Digital-Wandler 42 empfangen wird. Hierdurch wird das so empfangene Ausgangssignal in ein digitales Signal umgewandelt. In Übereinstimmung mit dem durch das digitale Signal repräsentierten Wert führt die Signalverarbeitungseinrichtung 4 die Leistungsversorgungsspannung Ex von einer Leistungsquelle 43 zu oder führt das Kalibriersignal der Stimulationseinrichtung 2 über einen weiteren Verstärker 412b zu. Hierdurch kann ein genaues Aufnahmesignal erhalten werden, durch das ein Fehler korrigiert werden kann.
  • In Fig. 3 sind Grundstrukturen von auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität arbeitenden Halbleiter- Beschleunigungssensoren dargestellt, die durch eine Silicium- Mikrofertigungstechnik hergestellt werden.
  • Der Beschleunigungssensor dient dazu, eine Beschleunigung durch eine Messung einer auf eine vorgegebene Masse wirkenden Trägheitskraft zu erzielen, falls die Beschleunigung vorhanden ist. Der in Fig. 3 dargestellte Beschleunigungssensor ist so aufgebaut, daß eine Last 53 und ein Ausleger 54 zum Stützen der Last 53 auf einem Silicium- Zwischensubstrat 51 durch anisotropes Ätzen gebildet sind. Wenn eine Beschleunigung α ausgeübt wird, wirkt die Trägheitskraft (F&sub1; = mα) auf die Last (Masse m), wodurch bewirkt wird, daß die Last (Masse m) versetzt wird. Andererseits wirkt der Ausleger als eine Feder, so daß er auf die Last eine Rückstellkraft ausübt, die durch (F&sub2; = αx) ausgedrückt ist (wobei das Symbol α eine Federkonstante und x den Betrag des Versatzes bezeichnet), wobei die Rückstellkraft in der zur Richtung des Versatzes entgegengesetzten Richtung wirkt. Hierdurch wird die Last zu der Position versetzt, bei der die beiden oben beschriebenen Kräfte ausgeglichen sind. Aus der durch (F&sub1; = F&sub2;) ausgedrückten Beziehung ergibt sich der Versatz x aus:
  • x = mα/a ... (I)
  • Dabei kann die Beschleunigung α aus dem Versatz x erhalten werden.
  • Der in Fig. 3 dargestellte auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität arbeitende Beschleunigungssensor enthält eine obere befestigte Elektrode 55a und eine untere befestigte Elektrode 55b, die an den Oberflächen des oberen Substrats 52a und des unteren Substrats 52b gebildet sind, die dem Silicium-Zwischensubstrat 51 gegenüberstehen. Die befestigten Elektroden 55a und 55b sind durch Leiter 56a und 56b mit Anschlußstellen 57a bzw. 57b verbunden. Der auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität arbeitende Beschleunigungssensor mißt die Beschleunigung durch Erhalten des Versatzes x aus der Gleichung (1) aus der elektrostatischen Kapazität zwischen den befestigten Elektroden und der Last (bewegliche Elektrode)
  • Auf diese Weise kann ein der Beschleunigung entsprechendes Ausgangssignal V(α) durch die Signalverarbeitungsschaltung erhalten werden, die die elektrostatische Kapaz£tät zwischen der Last und der festen Elektrode verarbeitet. Da die Ausgabe und die Beschleunigung α gewöhnlich so verarbeitet werden, daß eine lineare Beziehung erhalten bleibt, wird die Ausgabe V(α) durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
  • V(α) = pα + q ...(II)
  • Es wird angenommen, daß sich der Beschleunigungssensor aus irgendeinem Grunde zeitlich ändert. Falls die Änderung bei (im wesentlichen) aufrechterhaltener linearer Beziehung zwischen der Beschleunigung und der Ausgabe stattfindet, wird die Ausgabe eine Funktion der Zeit. Daher wird die Ausgabe die folgende:
  • V(α,t) = p(t)α + q(t) ...(III)
  • Falls die Spanne p(t) und der Nullpunkt q(t) der Beschleunigungs-Ausgabe-Kennlinie (III) richtig bekannt sind, kann die Beschleunigung α durch Messen der Ausgabe V(α,t) genau erhalten werden.
  • In dem Fall, in dem p(t) und q(t) in Gleichung (III) unbekannt sind, können sie durch Erzeugen zweier verschiedener Beschleunigungen α&sub1; und α2 durch irgendein Verfahren erhalten werden, um die Ausgaben V(α&sub1;,t) und V(α&sub2;,t) zu messen, die den beiden Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; entsprechen. Insbesondere können p(t) und q(t) aus der folgenden simultanen Gleichung erhalten werden:
  • Andererseits entspricht die Beschleunigung α dem Versatz x der Last in der durch Gleichung (I) gegebenen Beziehung. Daher wird das Bestimmen der Beschleunigung α&sub1; und α&sub2; zum Bestimmen der Versätze x&sub1; und x&sub2; äquivalent, die den Beschleunigungen α&sub1; und α&sub2; entsprechen. Auf diese Weise werden die folgenden Beziehungen aus den Gleichungen (I) und (IV) erhalten:
  • Die in Gleichung (V) gegebenen vorbestimmten Versätze x&sub1; und x&sub2; können relativ leicht verwirklicht werden. Das heißt, daß der Aufbau derart sein kann, daß die Last durch ein Stellglied zwangsweise versetzt wird und daß sich die Kennlinie der Sensorausgabe V(x,t) bei den vorbestimmten gewissen Versätzen x&sub1; und x&sub2; scharf ändert. Als eine Alternative hierfür kann der Aufbau so sein, daß jeder weitere Versatz unterbunden wird.
  • In Fig. 4 ist ein Beispiel des oben beschriebenen Aufbaus dargestellt, wobei Stopper 60a und 60b vorgesehen sind, um selbst dann, wenn eine Beschleunigung einer äußeren Kraft auf die Last wirkt, jeden ein vorbestimmtes Maß übersteigenden Versatz zu verhindern. Falls die Versätze x&sub1; und x&sub2;, die erhalten werden, wenn die Lasten in Kontakt mit den Stoppern 60a und 60b gebracht sind, vorab bekannt sind, können p(t) und q(t) durch Messen der Ausgaben V(x&sub1;,t) und V(x&sub2;,t) zu dieser Zeit aus den Gleichungen (V) und (VI) erhalten werden.
  • Um die Last zu einer gewünschten Zeit zu versetzen, um sie beim auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität arbeitenden Beschleunigungssensor in Kontakt mit den Stoppern zu bringen, wird zwischen der Last und der oberen befestigten Elektrode 55a oder der unteren befestigten Elektrode ssb eine Spannung angelegt, wodurch die elektrostatische Kapazität erhalten wird, um die elektrostatische Kraft zwischen ihnen anzulegen.
  • Wie oben beschrieben wurde, kann ein Vorteil erhalten werden, der darin besteht, daß die Änderung der Beschleunigungs-Ausgabe-Kennlinie im Laufe der Zeit durch eine einfache Berechnung aus der durch periodisches Anlegen einer Spannung zwischen den befestigten Elektroden und der Last erhaltenen Ausgabe korrigiert werden kann. Weiterhin kann die Korrektur selbst dann vorgenommen werden, falls die Beschleunigung auf den Sensor einwirkt.

Claims (4)

1. Beschleunigungssensor, der auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität arbeitet, mit
einer ersten Elektrodeneinrichtung (55a, 55b); und
einer von der ersten Elektrodeneinrichtung beabstandeten zweiten Elektrodeneinrichtung (53), die durch eine flexible Federeinrichtung (54) für die Bewegung zu und von der ersten Elektrodeneinrichtung getragen wird;
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (2, 412b) zum Anlegen einer Anregungsspannung über die ersten und zweiten Elektrodeneinrichtungen, so daß die zweite Elektrodeneinrichtung (53) versetzt wird; und
eine Einrichtung (4) zum Messen des durch das Anlegen der Anregungsspannung erzeugten Versatzes der zweiten Elektrodeneinrichtung (53) auf der Grundlage einer Änderung einer elektrostatischen Kapazität zwischen den ersten und zweiten Elektrodeneinrichtungen und zum Vergleichen des aufgenommenen Versatzes mit einer gespeicherten Beziehung zwischen Anregungsspannung und Versatz der zweiten Elektrodeneinrichtung zu einer Online-Diagnose des Sensors.
2. Beschleunigungssensor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Elektrodeneinrichtung ein Paar von fest angeordneten Elektroden (55a, 55b) aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der zweiten Elektrodeneinrichtung (53) angebracht und aufeinander zu gerichtet sind.
3. Verfahren zur Online-Diagnose eines Beschleunigungssensors, der auf der Grundlage einer elektrostatischen Kapazität arbeitet und eine erste Elektrodeneinrichtung (55a, 55b) und eine zweite Elektrodeneinrichtung (53), die auf die erste Elektrodeneinrichtung zu und von ihr wegbewegt werden kann, aufweist, mit den Verfahrensschritten:
(a) Anlegen einer Anregungsspannung über die ersten und die zweiten Elektrodeneinrichtungen (53, 55a&sub1; 55b), um die zweite Elektrodeneinrichtung (53) zu versetzen;
(b) Aufnehmen des durch das Anlegen der Anregungsspannung erzeugten Versatzes der zweiten Elektrodeneinrichtung (53) auf der Grundlage einer Anderung in einer elektrostatischen Kapazität zwischen den ersten und den zweiten Elektrodeneinrichtungen; und
(c) Vergleichen des aufgenommenen Versatzes mit einer gespeicherten Beziehung zwischen Anregungsspannung und Versatz der zweiten Elektrodeneinrichtung.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Anregungsspannung eine gepulste Spannung ist.
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