Drucksensor mit umschaltbarem Druckbereich

Stand der Technik

Zur Erfassung von Drucksignalen werden u.a. mikromechanische Drucksensoren verwendet, die in Abhängigkeit eines angelegten Drucks ein elektrisches Signal ausgeben. So zeigt die Schrift DE 102 26 034 Al einen mikromechanischen Drucksensor, der mittels piezoresistiver Widerstände die Durchbiegung einer Membran aufgrund eines angelegten Drucks erfasst und ein elektrisches Signal in Abhängigkeit der Durchbiegung erzeugt. Alternativ lässt sich die Durchbiegung der Membran auch durch eine kapazitive Messmethode erfassen, wie sie in der

DE-10333960 Al beschrieben wird.

Erfahrungsgemäß haben die mit einem mikromechanischen Drucksensor erzeugten elektrischen Signal eine sehr geringe Signalgröße, weswegen zur Auswertung der Sensorsignale eine Verstärkung durch eine entsprechende

Verstärkerschaltung vorgenommen wird. Zur Kalibrierung dieser Verstärkung werden typischerweise wenigstens zwei Drucksignale bei bekannten Drücken erfasst und die dazwischen liegende Verstärkung interpoliert. Ein derartiges Vorgehen ist u.a. aus der DE 103 30 251 Al bekannt. Um die Auflösung bzw. die Genauigkeit des Drucksignals gerade im unteren Bereich zu erhöhen, kann diese

Verstärkung zusätzlich logarithmiert werden.

Da der Aufwand zur Erhöhung der Genauigkeit in verschiedenen Druckbereichen durch eine elektronische Bearbeitung der Verstärkung jedoch sehr aufwendig ist

und eine derartige Realisierung sehr kostenintensiv ist, wird in der vorliegenden Erfindung ein einfacheres Konzept vorgestellt.

Vorteile der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Erfassung eines Drucksignals beschrieben, wobei das eigentliche Drucksignal mittels eines

Verstärkers verstärkt wird. Die Verstärkung wird dabei bereichsweise durch eine Regeleinheit beeinflusst, der das Ausgangssignal des Verstärkers zugeführt wird. Der Kern der Erfindung ist dabei, dass zusätzlich ein Vergleichsmittel vorgesehen ist, welches das Verstärkersignal dahingehend überwacht, ob ein Schwellenwert unter- oder überschritten wird. Wird ein derartiges über- oder Unterschreiten festgestellt, veranlasst das Vergleichsmittel die Regeleinheit zu einem Umschalten des Verstärkerbereichs.

Der Vorteil der Erfindung ist, dass die Genauigkeit gerade im unteren Druckbereich durch eine derartige Anpassung des Verstärkerbereichs erhöht werden kann. Bei größeren Druckbereichen kann hingegen auf eine hohe Verstärkung verzichtet werden, wodurch die Beanspruchung des Systems vermindert werden kann. Weiterhin kann durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Anpassung die Messgenauigkeit bei der Kalibrierung des Drucksensors reduziert werden, so dass bei der Herstellung Kosten eingespart werden kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Regeleinheit den Verstärker in einen niederen Verstärkungsbereich umschaltet, wenn ein vorgegebener Schwellenwert unterschritten wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Verstärker in einen höheren Verstärkungsbereich umgeschalten wird, wenn ein vorgegebener Schwellenwert überschritten wird.

Optional kann auch vorgesehen sein, dass in jedem Verstärkungsbereich wenigstens ein Schwellenwert vorgesehen ist. Vorzugsweise wird jedoch in wenigstens einem Verstärkungsbereich wenigstens ein oberer Schwellenwert und ein unterer Schwellenwert verwendet, um die Verstärkung entsprechend anzupassen.

Vorteilhafterweise wird die Umschaltung in einen anderen Verstärkungsbereich erst dann durchgeführt, wenn die über- bzw. Unterschreitung des Schwellenwerts eine Mindestzeitdauer erfolgt ist.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Steigung bzw. die zweite zeitliche

Ableitung des Signals herangezogen wird, um im Vergleich mit dem Schwellenwert eine Umschaltung des Verstärkerbereichs zu veranlassen.

Zusätzlich zur änderung der Verstärkung kann auch vorgesehen sein, die Offsetwerte des Verstärkers zu ändern. Dabei können die Schwellenwerte und Offsetwerte, die den einzelnen Druckbereichen zugeordnet werden, in einer Tabelle abgelegt werden, auf die die Regel- und/oder die Vergleichseinheit zugreifen können.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnungen

Figur Ia und b zeigen zwei mögliche Realisierungen der erfindungsgemäßer

Vorrichtung in Form von Blockschaltbildern. Dagegen wird das beanspruchte Verfahren in Figur 2 mittels eines Flussdiagramm dargestellt.

- A -

Ausführungsbeispiel

Wie bereits eingangs erwähnt, wird zur Erfassung eines Drucks in einem Sensorelement 100 mittels mikromechanischer Drucksensoren die Verbiegung einer Membran gemessen. Dabei werden typischerweise Dehnmessschichten in Form von

Wheatstone- Brücken verwendet. Derartige Wheatstone- Brücken bestehen aus je zwei Paaren von Widerständen, die miteinander verschaltet sind (siehe Block 100 in Figur Ia). Daneben kann die Durchbiegung der Membran jedoch auch mit anderen Methoden erfasst werden, wie beispielsweise einer kapazitiven Messung.

Naturgemäß weist die Durchbiegung einer mikromechanischen Membran nur geringe Auslenkungen aus, weswegen die Signalgröße der dabei entstehenden elektrischen Signale ebenfalls nur gering sind. Um diese Signale für weitere Auswertungen zu verwenden, ist eine Verstärkung vorgesehen, wie sie beispielhaft in der Figur Ia bzw. Ib in Form einer Verstärkerschaltung 180 abgebildet ist.

Derartige Verstärker werden üblicherweise mit einem fest vorgegebenen Verstärkungsfaktor betrieben, der bei einem Kalibrierungsvorgang bestimmt wird. Dabei werden im Falle eines Drucksensors zwei unterschiedliche Drücke an das Sensorelement angelegt und die bei diesen Drücken ermittelten verstärkten Signale aus Ausgangsbasis für die Kalibrierung verwendet.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein programmierbarer Verstärker 180. Das Sensorsignal S _DS wird dabei vom Sensorelement 100 eingelesen und in einer Verstärkereinheit 120 verstärkt. Anschließend wird das so verstärkte Signal S _v in einer

Vergleichseinheit 160 (z.B. ein μC) mit wenigstens einem vorgegebenen Schwellenwert SW verglichen. Unterschreitet das verstärkte Signal S _v den Schwellenwert SW, wird eine den Verstärker 120 steuernde Regeleinheit 140 angesteuert, um den Verstärkungsfaktor zu erhöhen. Dies hat zur Folge, dass die Genauigkeit bei kleineren Drucksensorsignalen S _DS erhöht wird.

Alternativ kann auch der umgekehrte Vergleich statt finden, wonach überprüft wird, ob das verstärkte Signal S _v den vorgegebenen Schwellenwert SW überschreitet. In

diesem Fall kann davon ausgegangen werden, dass die Verstärkung verringert werden kann.

Da üblicherweise nach der Verstärkerstufe eine Offsetstufe vorgesehen ist, kann zusätzlich vorgesehen sein, bei einer änderung der Verstärkung auch den Offset durch die Regeleinheit 140 anzupassen.

Um die nachfolgende Signalauswertung über den geänderten Verstärkungsfaktor zu informieren, ist vorgesehen, dass die Vergleichseinheit 160 oder die Regeleinheit 140 ein entsprechendes Signal V _B an eine (nicht gezeigte) Auswerteschaltung abgibt.

Figur Ib zeigt eine mögliche Realisierung, bei der die Vergleichseinheit in die Regeleinheit integriert ist.

In Figur 2 ist beispielhaft ein Programm-Algorithmus dargestellt, der die

Vorgehensweise in der Verstärkerschaltung 180 verdeutlicht. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass ein derartiges Programm in einem entsprechend ausgestalteten Mikroprozessor abläuft, z.B. in einer Verstärkereinheit zur Steuerung der Signalverstärkung.

Nach dem Start des Programms, der in regelmäßigen Abständen oder aufgrund einer externen Anregung erfolgt, wird im Schritt 200 das digitale oder analoge Sensorsignal S _DS erfasst. Anschließend wird im Schritt 220 der Verstärkungsfaktor K _v , der zugehörige Offset und ein oder mehrere Schwellenwerte ermittelt, die diesem Verstärkungsfaktor zugeordneten sind, beispielsweise durch auslesen einer Tabelle oder eines Registers. Anschließend wird in Schritt 240 das Sensorsignal entsprechend

verstärkt. überschreitet das verstärkte Sensorsignal S _v gemäß

Sv > SW ₀

einen oberen Schwellenwert SW ₀ , so zeigt das verstärkte Signal an, dass die obere Grenze des Verstärkungsbereichs erreicht wird. Um größere Sensorsignal zu übermitteln, wird daher in Schritt 280 der Verstärkungsfaktor K _v erniedrigt, bevor der Algorithmus beendet wird und/oder das Programm mit Schritt 200 erneut durchlaufen wird.

Für den Fall, dass der Schwellenwert SW ₀ nicht überschritten wird, wird in Schritt 300 überprüft, ob das Sensorsignal S _v gemäß

Sv < SWu

einen unteren Schwellenwert SWu unterschreitet. Das Unterschreiten des unteren Schwellenwerts signalisiert der Auswerteschaltung, dass die untere Grenze des Verstärkungsbereichs erreicht wird. Durch eine Erhöhung des Verstärkungsfaktor K _v im nachfolgenden Schritt 320 können kleinere Sensorsignale weiterhin dargestellt werden. Gleichzeitig verbessert sich die Auflösung bei diesen kleineren Sensorsignalen, da durch den neu gewählten Verstärkungsfaktor die Verstärkung des Verstärkers wieder in seiner ganzen Breite voll ausgeschöpft werden kann.

Wird jedoch gemäß

SW ₀ < Sv < SWu

festgestellt, dass sich das Sensorsignal S _v zwischen dem unteren und dem oberen Schwellenwert befindet, so wird das Programm ohne änderung des

Verstärkungsfaktors beendet.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung mit einem unteren und einem oberen Schwellenwert dargestellt, so dass drei Verstärkungsbereiche vorgesehen sind. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der untere und/oder der obere Verstärkungsbereich ebenfalls wieder untere und obere Schwellenwerte aufweist, um weitere Verstärkungsbereiche mit eigenen Verstärkungsfaktoren zu definieren. Selbstverständlich kann jedoch auch vorgesehen sein, dass je

Verstärkungsbereich lediglich ein Schwellenwert überprüft wird und nur zwischen einem ersten kleineren und einem zweiten größeren Verstärkungsfaktor hin und her geschalten wird.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mit der änderung des Verstärkungsfaktors gleichzeitig auch der oder die Schwellenwerte angepasst und abgespeichert werden.

Die Erniedrigung bzw. Erhöhung des Verstärkungsfaktor K _v ist vorzugsweise fest vorgegeben und auf die Anwendung des Drucksensors ausgerichtet. Sie kann jedoch auch variabel ausgestaltet sein, indem beispielsweise das zeitliche Verhalten des

Signalverlaufs berücksichtigt wird. So ist denkbar, dass die Veränderung des Verstärkungsfaktors um so höher ausfällt, je stärker das Signal in der Vergangenheit gestiegen ist.

Statt des verstärkten Signals S _v kann alternativ auch das direkt vom Sensorelement

100 kommende Signal S _DS auf eine mögliche Umschaltung des Verstärkungsfaktors K _v hin überwacht wird.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann vorgesehen sein, das zeitliche Verhalten des Sensorsignals S _Ds und/oder des verstärkten Sensorsignals S _v zur Erkennung einer Umschaltung des Verstärkungsfaktors K _v zu verwenden. So ist denkbar, dass die erste oder zweite zeitliche Ableitung der entsprechenden Signale herangezogen wird, um in einem Vergleich mit entsprechend gewählten Schwellenwerten einen Hinweis auf eine sinnvolle änderung des Verstärkungsfaktors zu erhalten. Hierbei könnte z.B. ein schneller Rückgang des Sensorsignals zu einer

Erhöhung der Verstärkung führen. Darüber hinaus ist jedoch auch denkbar, dass die Verstärkung erst dann umgeschalten wird, wenn das entsprechende Signal eine Mindestzeitdauer unterhalb bzw. oberhalb des Schwellenwerts erfasst wird. Mit einem derartigen Hystereseeffekt kann sichergestellt werden, dass die Verstärkung nicht kurzzeitig zwischen zwei Bereichen hin und her schaltet

Allgemein kann der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Betriebsmodi gefahren werden, wobei der Offset und die Verstärkung in den einzelnen

Betriebsmodi bereits vorab festgelegt und in der Regeleinheit 140 bzw. einem externen Speicher abgelegt worden sind.