ROCZNIK, Marko (10141 Parish Place, Cupertino, CA, 95014, US)
WOLFF, Janpeter (Panoramastr. 117, Gerlingen, 70839, DE)
NIEKRAWIETZ, Remigius (Bergheimer Str. 18, Stuttgart, 70499, DE)
SCHOLZ, Ulrike (Friederichstr. 52/1, Korntal, 70825, DE)
ROCZNIK, Marko (10141 Parish Place, Cupertino, CA, 95014, US)
WOLFF, Janpeter (Panoramastr. 117, Gerlingen, 70839, DE)
NIEKRAWIETZ, Remigius (Bergheimer Str. 18, Stuttgart, 70499, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors, welcher eine bewegliche Membran über einem Hohlraum aufweist, wobei zur Kalibrierung die Membran durch eine elektrostatische Kraft ausgelenkt und diese Auslenkung gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Messung der Grundkapazitat der Abstand zwischen Membran und Gegenelektrode ermittelt wird, ohne dass eine Kraft auf die Membran einwirkt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Kraft durch eine Wechselspannung erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Wechselspannung unterhalb der mechanischen Grenzfrequenz der Membran und oberhalb der Bandbreite des Ausgangssignals des Drucksensors gewählt ist .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die elektrostatische Kraft hervorgerufene Auslenkung durch Messung der Kapazität bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die elektrostatische Kraft hervorgerufene Auslenkung durch Messung des Widerstandes mindestens eines piezoresistiven Elementes bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrostatische Kraft durch eine elektrische Gleichspannung erzeugt wird, welche quasidigital per Pulsweitenmodulation oder als Delta- Sigma-Datenstrom moduliert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet:, dass durch mehrfache Messung der Auslenkung bei variierender elektrostatischer Kraft eine Kennlinie aufgenommen wird, aus welcher die Empfindlichkeit der Membran bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Drucksensors durch einen Tiefpass von denjenigen Anteilen befreit wird, welche durch die elektrostatische Kraft hervorgerufen werden .
10. Drucksensor, aufweisend
- eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum erstreckt
- mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt - Mittel zur Bestimmung der Auslenkung der Membran dadurch gekennzeichnet, dass
- Eine Mehrzahl von Schaltelementen vorgesehen ist, um jede Einzelelektrode des Elektrodenpaares mit einem ersten elektrischen Potential oder einem zweiten elektrischen Potential zu verbinden.
11. Drucksensor, aufweisend
- eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum erstreckt
- mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt
- Em Ladungsverstarker zur kapazitiven Bestimmung der Auslenkung der Membran dadurch gekennzeichnet, dass
- Eine Einrichtung vorgesehen ist, um die elektrische Spannung an dem mindestens einen Elektrodenpaar abzubauen.
12. Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung, um die elektrische Spannung an dem mindestens einen Elektrodenpaar abzubauen, einen Kondensator umfasst, welcher zwischen dem Ladungsverstarker und der mit diesem verbundenen Elektrode angeordnet ist.
13. Verwendung eines Drucksensors nach einem der Ansprüche 10 bis 12 in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einer Einrichtung zur Motorsteuerung. |
Beschreibung
Drucksensor und Verfahren zu dessen Kalibrierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors sowie einen Drucksensor, aufweisend eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum erstreckt, mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt und Mittel zur Bestimmung der Auslenkung der Membran. Solche Drucksensoren können zur Steuerung verschiedener Funktionen in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, z.B. zur Motorsteuerung.
Aus der EP 1 310 781 Al ist ein Drucksensor mit einer Membran und einem darunter liegenden Hohlraum bekannt. Der Abstand zwischen der Membran und dem darunter liegenden Trager- Substrat und damit die Hohe des Hohlraumes wird kapazitiv gemessen. Durch Druckbeaufschlagung der Membran verändert sich dieser Abstand. Somit kann aus der kapazitiven Abstands ¬ messung auf den auf die Membran einwirkenden Druck geschlossen werden.
Aus diesem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, über eine kapazitive Anregung die Membran in eine Resonanzschwingung zu versetzen, wobei aus der Resonanzfrequenz und der Gute der Schwingung auf die Bewegungsfreiheit der Membran, deren Elastizitätsmodul oder deren Dicke geschlossen werden kann. Die Informationen über die Beweglichkeit der Membran und deren Struktur werden zur Qualitätssicherung des Drucksensors eingesetzt .
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, Druck ¬ sensoren der eingangs genannten Art in Druckkammern unterschiedlichen Drucken auszusetzen und den Abstand zwischen der
Membran und dem darunter liegenden Tragersubstrat zu messen. Aus diesen Messsignalen können Kalibπerkoefflzienten gewonnen werden, welche in einem im Drucksensor integrierten Speicher speicherbar sind. Im Betrieb des Drucksensors wird das Ausgangssignal mit diesen gespeicherten Kalibrier- koefflzienten beaufschlagt. Dadurch kann einem gemessenen Kapazitatswert unmittelbar ein Druckwert zugeordnet werden. Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit ist es bekannt, das Drucksensorkennfeld bei verschiedenen Temperaturen auf- zunehmen und im Betrieb des Drucksensors zusätzlich eine Temperaturkompensation des Ausgangssignals vorzunehmen.
Die Notwendigkeit der Kalibrierung ergibt sich dabei aus der Tatsache, dass verschiedene Parameter des Drucksensors, wie z.B. Membrandicke, Kavitatshohe und Kantenverlust bei der
Herstellung des Drucksensors stark schwanken. Ebenso ist der Einfluss auf das Messergebnis dieser Parameter unterschiedlich .
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kalibrierung von Drucksensoren zur Verfugung zu stellen, welches ohne auf ¬ wandigen Einsatz einer Druckkammer auskommt. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kalibrierverfahren und einen kalibrierbaren Drucksensor anzugeben, welcher wahrend der Anwendung des Drucksensors eine Selbst- kalibrierung ermöglicht und damit das Problem der Langzeitdrift lost.
Die Aufgabe wird erfindungsgemaß gelost durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines Drucksensors, welcher eine bewegliche Membran über einem Hohlraum aufweist, wobei zur Kalibrierung die Membran durch eine elektrostatische Kraft ausgelenkt und diese Auslenkung gemessen wird.
Weiterhin besteht die Losung der Aufgabe in einem Drucksensor, aufweisend eine bewegliche Membran, welche sich über
einem Hohlraum erstreckt, mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt, Mitteln zur Bestimmung der Auslenkung der Membran und eine Mehrzahl von Schaltelementen, um jede Einzelelektrode des Elektrodenpaares mit einem ersten elektrischen Potential oder einem zweiten elektrischen Potential zu verbinden.
Darüber hinaus besteht die Losung der Aufgabe in einem
Drucksensor, aufweisend eine bewegliche Membran, welche sich über einem Hohlraum erstreckt, mindestens ein Elektrodenpaar, welches mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar ist, wobei die elektrische Spannung zu einer Auslenkung der Membran fuhrt, einen Ladungsverstarker zur kapazitiven
Bestimmung der Auslenkung der Membran und einer Einrichtung zum Abbau der an die Membran angelegten elektrischen Spannung.
Der Drucksensor im Sinne der vorliegenden Erfindung weist eine Membran als bewegliches Sensorelement auf, welches beispielsweise mikromechanisch oder feinwerktechnisch herstellbar ist und durch Einwirkung eines äußeren Gas- oder Flussigkeitsdruckes ausgelenkt wird. Das bewegliche Sensorelement weist eine Ruckstellkraft auf, welche das Sensorelement bei Abwesenheit einer äußeren Kraft in die Ruhelage bringt. Die Auslenkung kann entweder kapazitiv oder piezoresistiv gemessen werden.
Erfmdungsgemaß wurde erkannt, dass zur Kalibrierung eines solchen Drucksensors nicht notwendigerweise eine durch eine Druckdifferenz hervorgerufene Kraft auf die Membran des Drucksensors einwirken muss. Im Gegensatz dazu wird erfmdungsgemaß vorgeschlagen, dass die Kalibrierung auch durch eine elektrostatische Kraft erfolgen kann, welche nach Betrag und Richtung mit der durch Druckbeaufschlagung erzeugten Kraft identisch ist. Durch Variieren der
elektrostatisch erzeugten Kraft lasst sich damit ebenso wie in einer Druckkammer das Ausgangssignal eines Drucksensors als Antwort auf unterschiedliche Messgroßen bestimmen. Aus dieser so bestimmten Antwortfunktion können Kalibπer- koefflzienten gewonnen und gespeichert werden, beispielsweise in einem im Drucksensor integrierten Speicher oder in einem mit dem Drucksensor verbundenen Steuergerat.
Zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft auf die Membran ist diese erfmdungsgemaß mit mindestens einer Elektrode ausgestattet, welche mit einer Wechselspannungsquelle verbindbar ist. Der zweite Anschluss der Wechselspannungsquelle wird mit einer Gegenelektrode unterhalb der Membran verbunden. Dies eröffnet weiterhin die Möglichkeit, die Kalibrierung jederzeit nicht nur im Herstellwerk, sondern auch durch den Benutzer fortlaufend im Betrieb oder zu vorgebbaren Zeiten durchzufuhren.
Das erfmdungsgemaße Verfahren beruht auf der Tatsache, dass die Membran mit der darunterliegenden Kavitat und der Gegenelektrode einen Plattenkondensator darstellt. Die Kapazität dieses Kondensators ist durch die Flache der Membran und der darunter liegenden Gegenelektrode und deren Abstand bestimmt. Die elektrostatische Kraft bei Anlegen einer Spannung ist vom Betrag der elektrischen Spannung und dem Abstand zwischen der Membran und der darunter liegenden Gegenelektrode abhangig. Da dieser Abstand bei der Herstellung einer Vielzahl von Sensoren größere Abweichungen bis 10 % aufweisen kann, muss er vor der Kalibrierung durch Messung bestimmt werden. Nachdem der Abstand bestimmt ist, kann durch Anlegen einer definierten Spannung eine definierte Kraft auf die Membran ausgeübt werden. Diese dient dann der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Membran, wie Dicke und mechanische Spannung, welche das Ausgangssignal des Druck- sensors maßgeblich beeinflussen.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird die Hohe der Kavitat, also der Abstand der Membran und der darunter liegenden Gegenelektrode, durch eine Messung der Grundkapazitat ermittelt, ohne dass eine Kraft auf die Membran einwirkt. Im Sinne dieser Erfindung wird dabei eine Membran als frei von äußeren Kräften bezeichnet, wenn keine elektrostatische Kraft auf die Membran einwirkt und bevorzugt auch keine Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Membran auftritt. Im Falle eines Differenzdrucksensors können dazu beide Seiten mit einem identischen Referenzdruck verbunden werden, beispielsweise dem Umgebungsdruck. Im Falle eines Drucksensors für hohe Drucke kann der Einfluss des normalen Umgebungsdruckes so niedrig sein, dass die Membran unter normalen Umgebungsbedingungen als kraftfrei im Sinne der Erfindung angesehen werden kann.
Die vorgesehene Bestimmung der Hohe der Kavitat beruht auf der Tatsache, dass die Kapazität des Sensors durch die Flache der Membran und der darunter liegenden Gegenelektrode und deren Abstand bestimmt ist. Da die Flache der Membran bei der Herstellung des Drucksensors mit hoher Genauigkeit reproduzierbar ist, kann eine Messung dieser Flache unter ¬ bleiben. Beispielsweise betragt der schwankende Kantenverlust bei der Herstellung der Membran lediglich etwa 1/10 μm. Bei einem Durchmesser der Membran von 1 mm ± 2/10 μm ergibt sich daraus eine Genauigkeit der Membranflache von etwa 0,02 %. Damit kann eine schwankende Grundkapazitat überwiegend dem Einfluss einer schwankenden Hohe der Kavitat zugeschrieben werden und die Hohe der Kavitat wird aus der gemessenen Kapazität mit hoher Genauigkeit bestimmbar.
Im Betrieb des Drucksensors erfolgt die Messung der Verformung der Membran entweder kapazitiv über die Hohe der Membran oder durch piezoresistive Elemente, welche schersteif mit der Membran verbunden sind und bei Verformung der Membran eine Verformung erfahren, welche zu einer Widerstandsanderung fuhrt.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die elektrostatische Kraft durch eine Wechselspannung erzeugt, insbesondere durch eine Wechselspannung deren Frequenz unterhalb der mechanischen Grenzfrequenz der Membran und oberhalb der Bandbreite des Ausgangssignals des Drucksensors gewählt ist.
Dadurch ist die Frequenz in einem Bereich der mechanischen Ubertragungsfunktion gewählt, in welcher deren Abfall im Vergleich zur statischen Auslenkung noch vernachlassigbar klein ist. Da sich bei einer Wechselspannung der Betrag der Spannung und damit die auf die Membran ausgeübte elektrostatische Kraft fortlaufend ändert, wird der gesamte Messbereich kontinuierlich durchfahren.
In einer Ausfuhrungsform der Erfindung wird die elektrostatische Kraft zur Kalibrierung des Sensorelementes durch eine elektrische Wechselspannung mit konstanter Frequenz erzeugt. Durch die konstante Frequenz, kann eine besonders einfache Trennung des Kalibriersignals vom Messsignal erfolgen, beispielsweise durch einen schmalbandigen Bandpassfilter .
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die elektro- statische Kraft auch durch eine elektrische Gleichspannung erzeugt werden, welche quasidigital per Pulsweitenmodulation oder als Delta-Sigma-Datenstrom moduliert wird. Unter einer quasidigitalen Modulation soll dabei ein Signal verstanden werden, welche eine digitale Amplitude und ein analoges Zeitverhalten aufweist. Dieses Signal erzeugt zusammen mit der filternden Ubertragungsfunktion des Sensorelementes eine Kraft. Diese wiederum ist digital einstellbar. Das Sensorelement ist somit Bestandteil eines elektromechanischen Digital-Analog-Wandlers .
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Drucksensor weiterhin eine Einrichtung auf, um das Ausgangssignal des
Drucksensors in einen von der Messgroße abhangigen Teil und einen von der elektrostatischen Kraft abhangigen Teil aufzuteilen. Eine solche Aufspaltung des Drucksensorsignals erlaubt die fortlaufende Bestimmung eines Druckes wahrend mit dem erfmdungsgemaßen Kalibrierverfahren die Empfindlichkeit des Drucksensors überprüft werden kann. Bevorzugt wird dabei das Ausgangssignal des Drucksensors durch einen Tiefpass von denjenigen Anteilen befreit wird, welche durch die elektrostatische Kraft hervorgerufen werden. Weiterhin kann vorgesehen werden, dass das Ausgangssignal des Drucksensors durch einen Hochpass von denjenigen Anteilen befreit wird, welche durch die Druckdifferenz beiderseits der Membran hervorgerufen werden. Beide Signalanteile können dann in separaten Schaltungsteilen weiter verarbeitet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausfuhrungs- beispielen und Figuren ohne Beschrankung des allgemeinen Erfindungsgedankens naher erläutert werden.
Figur 1 zeigt einen oberflachenmikromechanischen Drucksensor gemäß dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt den oberflachenmikromechanischen Drucksensor nach Figur 1 mit zusatzlichen Elektroden.
Figur 3 zeigt einen oberflachenmikromechanischen Drucksensor mit piezoresistiven Messeinrichtungen zur Druckmessung und der Möglichkeit zur erfmdungsgemaßen Kalibrierung.
Figur 4 zeigt einen oberflachenmikromechanischen Drucksensor mit piezoresistiven Messeinrichtungen bei der erfmdungsgemaßen Kalibrierung auf einem Chuck.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines Systemmodells für einen Selbsttest eines Drucksensors und
Figur 6 zeigt eine mögliche Realisierung des Selbsttestes in analoger zeitkontmuierlicher Schaltungstechnik .
Figur 7 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel einer erfmdungsgemaßen Kalibriervorrichtung mit quasidigitaler Generierung des Testsignals .
Figur 1 zeigt einen oberflachenmikromechamschen Drucksensor. Dieser ist auf einem Substrat 1 aufgebaut. üblicherweise handelt es sich hierbei um ein Siliziumsubstrat . Auf dem Siliziumsubstrat wird durch mehrere aufeinanderfolgende Maskierungs- und Atzschritte eine Membran 2 mit einem darunter liegenden Hohlraum ausgebildet. Die Membran 2 weist die Dicke d und den Durchmesser oder die Kantenlange D auf. Sie ist entweder selbst elektrisch leitfahig oder weist an zumindest einer Oberflache eine leitfahige Beschichtung auf. Diese leitfahige Beschichtung wird über Leiterbahnen mit einer Messelektronik verbunden. Innerhalb des Hohlraums und damit der Membran 2 gegenüberliegend ist eine weitere Elektrode 3 ausgebildet, beispielsweise durch Implantation oder Abscheidung einer leitfahigen Beschichtung, beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung. Auch diese Elektrode 3 ist durch Leiterbahnen kontaktiert und mit einer Auswerteschaltung verbindbar. Die Auswerteschaltung kann auch auf dem Siliziumsubstrat 1 monolithisch integriert ausgeführt sein.
Bei Einwirken eines Druckes auf die Membran 2 wird diese elastisch verformt. Dementsprechend wird die Hohe des Hohlraumes unterhalb der Membran vergrößert oder verkleinert.
Die Membran 2 bzw. deren leitfahige Beschichtung bildet zusammen mit der Elektrode 3 einen Plattenkondensator. Dessen Kapazität hangt von der konstant bleibenden Flache der Membran 2 und deren Abstand von der Gegenelektrode 3 ab.
Durch Messen der Kapazität zwischen den Elektroden 3 und 2
kann somit der Abstand der Elektroden und nach Kalibrierung der herrschende Druck gemessen werden.
Figur 2 zeigt den Drucksensor nach Figur 1 mit weiteren Bauteilen. Dieser Drucksensor weist weiterhin Zusatz ¬ elektroden 4 auf. An die Zusatzelektroden 4 kann eine elektrische Spannung angelegt werden, welche eine elektrostatische Kraft zwischen Membran 2 und Gegenelektrode 3 erzeugt. Zur Ausfuhrung des erflndungsgemaßen Kalibrier- Verfahrens wird dabei die angelegte elektrische Spannung so gewählt, dass in der Membran 2 dieselbe mechanische Spannung induziert wird wie bei Anlegen eines vorgebbaren Druckes. Somit kann über die kapazitive Abstandsmessung für eine vorgebbare elektrische Spannung eine Kapazität bestimmt werden, welche auch bei anliegen des entsprechenden Druckes messbar ist.
Durch änderung des Betrages der an Elektroden 3 und 4 angelegten elektrischen Spannung wird die elektrostatische Kraft variiert. Diese Variation der Kraft entspricht bei Betrieb des Drucksensors einer Variation des an Membran 2 anliegenden Druckes. Durch Messung der Kapazität bei verschiedenen zwischen Elektrode 3 und 4 anliegenden elektrischen Spannungen kann somit eine Kalibrierkurve aufgenommen werden, mittels welcher ein gemessener
Kapazitatswert unmittelbar einer mechanischen Spannung der Membran 2 und damit einem herrschenden Druck zugeordnet werden kann. Die Koeffizienten der Kalibrierkurve werden schließlich in einem in Figur 2 nicht dargestellten Speicher des Drucksensors abgelegt und stehen für den weiteren Betrieb zur Verfugung.
Figur 3 zeigt einen piezoresistiven Drucksensor. Dieser weist ebenfalls eine Membran 2 auf, welche sich über eine Kavitat erstreckt und bei Anliegen einer Druckdifferenz zwischen dem Hohlraum und dem Außenraum tritt eine Verformung der Membran 2 ein. Mit der Membran ist mindestens ein piezoresistives
Element 5 schersteif verbunden, so dass das Element 5 bei Verformung der Membran ebenfalls verformt wird. Diese Verformung fuhrt zu einer messbaren änderung des elektrischen Widerstands des piezoelektrischen Elementes 5.
Um den piezoelektrischen Drucksensor 5 nach dem erfmdungs- gemaßen Verfahren ohne Anlegen einer Druckdifferenz kalibrieren zu können, befindet sich im Hohlraum unterhalb der Membran 2 eine Gegenelektrode 6. Im Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 3 wird diese Gegenelektrode 6 durch einen leit- fahig dotierten Wafer gebildet, welcher mittels einer dazwischen liegenden Oxidschicht 7 auf das Tragersubstrat 1 gebondet wird. Die Oxidschicht 7 dient gleichzeitig der Isolation, falls die Membran 12 bei hoher Verformung auf der Elektrode 6 anschlagt. Die Spannung zur Erzeugung der elektrostatischen Kraft wird zwischen der Elektrode 6 und der ebenfalls leitfahigen Membran 2 angelegt. Diese elektro ¬ statisch induzierte Verformung wirkt in gleicher Weise wie ein bei Betrieb des Drucksensors anliegender Druck. Somit kann die Kalibrierung ohne Druckkammer durchgeführt werden. Durch die permanent mit dem Substrat 1 verbundene Gegenelektrode 6 ist auch eine Nachkalibrierung des Bauelementes beim Kunden oder gegebenenfalls im Betrieb möglich.
Selbstverständlich kann die Elektrode 6 auch aus einem anderen leitfahigen Material bestehen, beispielsweise einem Metall oder einer Legierung.
Der Isolator 7 kann in einer weiteren Ausfuhrungsform auch durch ein Polymer oder ein Sealglass gebildet werden. Er kann im Bereich des Hohlraumes eine Aussparung aufweisen.
Figur 4 zeigt einen ähnlichen Drucksensor zu Figur 3 ohne die dort verwendete Gegenelektrode 6. Bei Betrieb des Drucksensors bildet die Isolation 7 einen gasdichten Abschluss des Hohlraumes unter der Membran 2. Alternativ kann das Substrat 1 mit der Membran 2 und den piezoresistiven Elementen 5 auch in einem Differenzdrucksensor verwendet werden, bei welchem
über ein nicht dargestelltes Gehäuse beide Seiten der Membran 2 mit unterschiedlichen Drucken beaufschlagt werden.
Die zur elektrostatischen Kalibrierung notwendige Gegen- elektrode wird durch den Chuck 8 eines Wafertesters gebildet. Somit ist eine elektrostatische Kalibrierung gemäß der vorliegenden Erfindung oder ein Funktionstest der Drucksensoren 5 sofort im Herstellerwerk möglich.
Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines erfmdungsgemaßen Systemmodells zum Selbsttest eines Drucksensors. Aus dem Ergebnis des Kalibπerverfahrens erhalt man eine Abgleichkurve, aus welcher die Koeffizienten für den Sensorabgleich gewonnen werden. Nach Anwendung dieser Koeffizienten in der Kalibriervorπchtung weist das
Ausgangssignal einen linearen Verlauf mit definierter Druckempfmdlichkeit auf.
Zur laufenden überprüfung der Druckempfmdlichkeit des Drucksensors im Betrieb wird mittels einer Wechselspannungsquelle 9 eine elektrostatische Kraft auf die Membran des Drucksensors aufgebracht. Zusätzlich kann auf diese Membran eine Messgroße einwirken, beispielsweise ein Luftdruck. Die Membran wird durch beide Kräfte ausgelenkt, so dass die Messschaltung des Sensorelementes ein Signal detektiert, welches die Summe aus der elektrostatischen Kraft und der Kraft des Luftdrucks repräsentiert. Diese Summe wird über eine Kalibπervorπchtung mit den gespeicherten Kalibπer- koefflzienten in ein kalibriertes Signal umgerechnet. Dieses kalibrierte Summensignal besteht nun ebenfalls aus dem zu messenden Luftdruck und der elektrostatischen Kraft.
Zur Trennung der beiden Komponenten des Summensignals ist im Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 5 vorgeschlagen, einen Hoch- pass und einen Tiefpassfilter einzusetzen. Im Ausfuhrungs ¬ beispiel nach Figur 5 ändert sich der Luftdruck nur langsam. Daher wird dieser Signalanteil durch einen Tiefpass vom
Summensignal getrennt. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses liegt dabei unterhalb der Frequenz der von der Quelle 9 erzeugten Wechselspannung. Dadurch kann dieser Anteil des Signals den Tiefpass nicht passieren und am Ausgang des Tiefpassfilters kann der herrschende Luftdruck trotz des laufenden Selbst ¬ tests des Drucksensors abgelesen werden.
Im zweiten Signalzweig ist ein Hochpassfilter angeordnet. Die Grenzfrequenz dieses Hochpassfilters liegt oberhalb der Anderungsfrequenz des Messsignals jedoch unterhalb der
Frequenz der von Quelle 9 erzeugten Wechselspannung. Somit kann der durch den Luftdruck beeinflusste Anteil des Summensignals das Hochpassfilter nicht passieren. Am Ausgang des Hochpassfilters steht nur der durch die elektrostatische Kraft verursachte Anteil des Summensignals zur Verfugung. Durch Multiplikation dieses Signals mit dem die elektrostatische Kraft erzeugenden Wechselspannungssignal und nachfolgende Tiefpassfilterung wird dieser Anteil des Drucksensorsignals demoduliert. Am Ausgang dieses zweiten Tiefpassfilters steht die elektrostatisch angeregte Membranamplitude zur Verfugung.
Im nachfolgenden, nicht dargestellten Schaltungstellen wird die Antwort des Drucksensors auf die elektrostatische Kraft mit einem Sollwert verglichen. Ein Abweichen vom Sollwert deutet auf einen Defekt des Drucksensors hin. Em solcher Defekt kann beispielsweise eine Verschmutzung, eine Vereisung oder ein Bruch der Membran 2 sein. Ein erkannter Fehler kann entweder an den Benutzer ausgegeben werden oder eine automatisierte Neukalibrierung auslosen.
Figur 6 zeigt eine Ausfuhrungsform einer Schaltung zur Kalibrierung in Analogelektronik. Zur Messung der Kapazität eines kapazitiven Drucksensors dient ein hochfrequentes Tragersignal aus einer Wechselspannungsquelle 9. Dieses Tragersignal wird über den kapazitiven Drucksensor einer Auswerteschaltung mit einem Operationsverstärker 10
zugeführt. Der Operationsverstärker 10, R2 und C2 bilden zusammen einen Kapazitats-Spannungs-Wandler (C/U-Wandler) .
Somit ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 10 nach Demodulation ein Maß für die Kapazität des Drucksensors und somit für die Messgroße. Dieses Signal wird einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 11 zugeführt.
Um den Drucksensor zu kalibrieren oder im laufenden Betrieb zu überwachen, wird über den Widerstand Rl eine Spannung an den Drucksensor angelegt, welche eine elektrostatische Kraft auf diesen Drucksensor ausübt. Damit diese Spannung den Operationsverstärker 10 nicht beeinflusst, wird diese über den Kondensator Cl entkoppelt. Kondensator Cl bildet somit einen Hochpassfilter.
Für den Kalibπervorgang wird die Spannung U ca i über den gewünschten Spannungsbereich variiert und der Kapazitatswert U c/ u erfasst. Hierbei wird der Druck auf einem konstanten Referenzwert, beispielsweise dem Normaldruck gehalten. Aus der aufgenommenen Kennlinie werden in der Ansteuerschaltung 11 die erforderlichen Kalibπerkoefflzienten ermittelt und in einem Speicher zur spateren Verwendung abgelegt. Für den in Figur 5 beschriebenen Selbsttest des Drucksensors wird über den Widerstand Rl ein niederfequentes Testsignal U ca i eingespeist .
Figur 7 zeigt eine alternative Ausfuhrungsform, bei welcher das Testsignal durch eine digitale Schaltung zugeführt wird. Diese Ausfuhrungsform eignet sich insbesondere zur monolythischen Integration auf dem Chip des Drucksensors.
Mittels der Schalter Sl, S2, S3 und S4 kann jede Seite eines kapazitiven Drucksensors wahlweise mit einem Referenz- potential, beispielsweise Masse, oder einer Betriebspannung V DD verbunden werden. Der Ausgang des Drucksensors kann über Schalter S5 mit dem Eingang eines Operationsverstärkers
verbunden werden. Der Operationsverstärker 10 weist wiederum eine Kapazität C2 in der Gegenkopplung auf und bildet einen C/U-Wandler zur Messung der Kapazität des Drucksensors. Der Ausgang des C/U-Wandlers ist wiederum mit einer Ansteuer- Schaltung 11 verbunden, welche fallweise auch die Schalter Sl bis S7 steuern kann.
Zum Erzeugen einer mittleren Kraft wird die Betriebspannung V DD als Delta-Sigma-Datenstrom oder durch Pulsweiten- modulierung über S3 und S4 an eine Elektrode des kapazitiven Drucksensors angelegt wahrend S2 geschlossen und Sl geöffnet ist. Zur Messung der Kapazität wird das Sensorelement über S2 und S4 mit Masse verbunden und dadurch entladen. Ebenso wird die Ruckkoppelkapazitat C2 über S7 und S6 entladen. Sl, S3 und S5 sind wahrend dieser Zeit geöffnet. Wahrend die
Steuerspannung an den Drucksensor angelegt wird, um eine elektrostatische Kraft auf das Sensorelement auszuüben, bleibt S5 geöffnet, um eine Einwirkung der Steuerspannung auf den Operationsverstärker 10 auszuschließen.
Zu Beginn des Messvorganges wird S5 geschlossen. Anschließend gibt S7 die Ruckkoppelkapazitat und S4 die Sensorkapazitat frei. Sl und S2 wechseln ihren Schaltzustand, sodass ein Spannungssprung an der Sensorkapazitat entsteht. Nach dem Einschwingvorgang liegt das Ergebnis der C/U-Wandlung am Ausgang des Operationsverstärkers an.
Durch mehrfache Ausfuhrung dieser Schaltvorgange ist es mit wenig Aufwand möglich, die U/C-Kennlinie des Sensorelementes aufzunehmen und daraus die Kalibπerkoefflzienten zu ermitteln. Diese werden wiederum in Schaltung 11 gespeichert und im Betrieb des Drucksensors auf das Messsignal angewendet. Für einen Selbsttest wahrend des Betriebes formt der Delta-Sigma-Datenstrom wiederum ein niederfrequentes Testsignal, welches dem Drucksensor zugeführt wird. Wie bereits in Figur 5 beschrieben, wird das Drucksensorsignal dann mittels dem an Steuerschaltung 11 in einen durch die
Messgröße beeinflussten Teil und einen durch die elektrostatische Kraft beeinflussten Anteil aufgeteilt.
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