Ein derartiger Sensor ist in der Form eines mikromechanischen Silizium-Drucksensors beispielsweise aus der DE-PS 44 18 207 Cl bekannt. Die Sensoren bestehen hier im Wesentlichen aus einer allseitig eingespannten Membran, die sich bei einer Druckdifferenz zwischen den beiden Membranoberflächen ver- wölbt. Die Signalwandlung wird beispielsweise mit integrier- ten monokristallinen bzw. dielektrisch isolierten polykris- tallinen Piezowiderständen oder durch Kapazitätsmessungen zu einer festen Gegenelektrode durchgeführt (piezoresistive bzw. kapazitive Signalwandlung). Eine übliche Anforderung an sol- che Sensoren ist es, dass sich ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit nicht nennenswert ändern sollen. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Sensoren wie beispielsweise bei aktiven Insassenschutzeinrichtungen im Kraftfahrzeugbereich (Airbag) ist es wünschenswert, dass bestimmte, zu beachtende Verände- rungen, insbesondere Defekte, sofort erkannt werden und dar- aufhin Maßnahmen ergriffen werden, um versehentliche Fehlre- aktionen auszuschließen. Ein unmittelbar durchzuführender Selbsttest für Drucksensoren ist derzeit nicht bekannt. Bei indirekten Selbsttests kann zwischen passiven und aktiven Selbsttests unterschieden werden. Ein aktiver Selbsttest kann vermittels einer definierten elektrostatischen Auslenkung und einer entsprechenden Abtastung des resultierenden Sensorsi- gnals durchgeführt werden. Hierbei bestehen jedoch wesentli- che Schwierigkeiten : Erstens benötigt man für die elektrosta- tische Auslenkung einer Silizium-Drucksensormembran eine Ge- genelektrode, wie sie bei mittels Bulk-Micromachining herge- stellten Silizium-Drucksensoren nicht vorhanden ist. Bei mit-

tels Surface-Micromachining hergestellten Drucksensoren (oder allgemeiner bei kapazitiv abgetasteten Drucksensoren) gibt es zwar eine geeignete Gegenelektrode, es sind aber typischer- weise sehr hohe Auslenkspannungen erforderlich (mindestens einige 10 V bei einem Druckbereich um etwa 1 bar), die auf Sensorbausteinen mit einer typischen Betriebsspannung von et- wa 5 V jedoch nicht zur Verfügung stehen. Ein passiver Selbsttest eines Drucksensors mit nur einer Membran kann üb- licherweise nur erfolgen, wenn der Sensor einem genau defi- nierten bzw. bekannten Referenzdruck ausgesetzt ist. Dies ist aber normalerweise nicht gegeben, so dass mit einem passiven Selbsttest weder Veränderungen der Genauigkeit, noch eventu- elle Beschädigungen des Sensors erkennbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor, ins- besondere einen Drucksensor, mit Selbstüberprüfung zu entwik- keln, der technisch einfach herstellbar ist. Der Sensor soll weiterhin für sicherheitsrelevante Anwendungen im Kraftfahr- zeugbereich geeignet sein und eine hinreichend zuverlässige, jedoch einfach durchzuführende Selbstüberprüfung ermöglichen.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Betrieb des Sensors anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 und die zweitgenannte Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 6 ge- löst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Wirkelement aus we- nigstens zwei Teilstrukturen besteht, die derselben zu mes- senden physikalischen Größe ausgesetzt sind. Jede Teilstruk- tur liefert ein Mess-Signal an die Auswerteschaltung, die ei-

ne Vergleichsschaltung aufweist, in der die wenigstens zwei Mess-Signale verglichen werden, und die als Ergebnis ein Ver- gleichssignal liefert. Eine wesentliche Idee der Erfindung liegt darin, dass das Wirkelement des Sensors, d. h. der nor- malerweise das Nutzsignal liefernde Geber, insbesondere kapa- zitive Geber aus wenigstens zwei Teilstrukturen besteht, de- ren gelieferte Informationen gemittelt werden. Partielle Be- schädigungen können nun dadurch erkannt werden, dass die Si- gnale der beiden Teilstrukturen miteinander verglichen wer- den. Falls beide Teilstrukturen in Ordnung sind, sollte das sich ergebende Vergleichssignal einen vorbestimmten Wert er- geben, z. B. im Falle eines Differenzsignales im Idealfall Null sein ; unter Berücksichtigung von toleranzbedingten Un- terschieden oder aufgrund von eventuellen Offsetkorrekturen ergibt sich ein vom vorbestimmten"Nullwert"allenfalls ge- ringfügig abweichendes Testsignal, das jedoch von der zu mes- senden physikalischen Eingangsgröße (beispielsweise dem Druck) kaum abhängt. Im Falle einer partiellen Beschädigung des Sensors ergibt sich ein vom"Nullwert"deutlich abwei- chendes Signal, welches im Vergleich zum Sollsignal des unbe- schädigten Sensors die Erkennung einer Beschädigung ermög- licht.

Dem Prinzip der Erfindung folgend sind die wenigstens zwei Teilstrukturen des Wirkelementes funktionell oder baulich gleichartig ausgebildet. Durch den identischen Aufbau und/oder eine gleichartige Beschaltung der Teilstrukturen ist sichergestellt, dass bei unbeschädigten Teilstrukturen des Wirkelementes die von diesen Teilstrukturen gelieferten Si- gnale praktisch identisch sind.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Sensors sind Ausgänge der beiden Teilstrukturen an Eingänge eines Sigma-Delta-Wandlers gekoppelt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Sensors werden zur Erzeugung eines Nutzsignals (aus dem der Meßwert ermittelt wird) die Teilstrukturen derart angesteuert, daß deren Ausgangssignale addiert werden und werden zur Erzeugung eines Diagnosesignals (anhand dem festgestellt wird, ob der Sensor in Ordnung ist) die Teilstrukturen derart angesteuert, daß deren Ausgangssignale subtrahiert werden.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen und Ausfüh- rungsformen ergeben sich aus den nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Im Einzelnen zeigen die Darstellungen in : Figur 1 einen schematischen Querschnitt durch einen kapaziti- ven Drucksensor ; Figur 2 eine schematische Draufsicht des Drucksensors ; Figuren 3 und 4 ein schematische Darstellung des Betriebes des Drucksensors ; Figur 5 ein schematisches Blockdiagramm einer weiteren Be- schaltung des Drucksensors mit abwechselnd gegen- oder gleichphasiger Ansteuerung.

Der kapazitive Drucksensor 1 der Figuren 1 und 2 ist ein mi- kromechanischer Sensor. Dieser besitzt mindestens zwei auf einem Siliziumsubstrat 2 mittels mikromechanischer Verfahren gefertigte Membranen 3 aus einer dünnen, dotierten Polysili- ziumfolie, welche die auf der Oberfläche des Silizium- substrats 2 ausgebildeten Hohlräume 4 einer Oxidschicht 5 überspannen, und sich bei Einwirkung des zu messenden Druckes verwölben. Die Membranen 3 wirken als erste Elektroden der Kapazitäten Cl und C2 ; als zweite oder Gegenelektrode dient jeweils ein in das Siliziumsubstrat 2 dotierter Wannenbereich

6, über dem sich die Hohlräume 4 befinden.

Der monolitische Drucksensor 1 ist somit mittels oberflachen- mikromechanischer Verfahren ("Surface Micromachining") herge- stellt, wobei für das Membranmaterial neben Polysilizium auch ein anderes geeignetes elektrisch leitfähiges Material ver- wendbar ist, um die Membranauslenkungen kapazitiv zu erfas- sen.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Drucksensors gegenüber einem mittels sogenannter Bulk-Mikromechanik hergestellten Druck- sensor, bei dem die Membranen aus monokristallinem Silizium gefertigt sind und eine piezorezistive Signalerfassung ver- wendet wird, besteht darin, dass ähnliche Prozessschritte wie bei der Herstellung von herkömmlichen integrierten Schalt- kreisen zum Einsatz gelangen und demzufolge die erforderli- chen (in Figuren 1 und 2 nicht gezeigten) Schaltkreise für die Signalverarbeitung mit den CMOS-Prozessschritten im Sinne einer einfacheren Integration gefertigt werden können.

Die Draufsicht nach Figur 2 zeigt zwei gleichartig aufgebaute Teilstrukturen 7 und 8 (mit Gesamtkapazitäten Cl und C2), die aus jeweils (beispielhaft) sechs quadratischen Einzelmembra- nen bestehen. Anzahl und Formgebung der Einzelmembranen sind an sich beliebig ; von Vorteil ist, wenn die beiden Teilstruk- turen 7 und 8 jeweils gleich aufgebaut sind und zu den Ge- samtkapazitäten Cl und C2 zusammengeschaltet sind, wie dies in der Querschnittsansicht nach Figur 1 schematisch darge- stellt ist. Durch den identischen Aufbau der Teilstrukturen sowie die Beschaltung ist sichergestellt, dass deren Kapazi- tätswerte Cl und C2 praktisch identisch sind. Der Absolutwert von Cl bzw. C2 liegt typischerweise bei etwa 2 pF ; ein Druck- signal von 100 Pa ergibt eine Änderung des Kapazitätswerts von typischerweise 0,15 fF. Dies stellt im übrigen hohe An- forderungen an die Auswerteelektronik.

In den Blockdiagrammen der Beschaltung des Drucksensors 1 ge- mäß den Figuren 3 und 4 sind die Teilstrukturen des Sensors der Einfachheit halber durch die Kapazitäten Cl und C2 darge- stellt und die gleichfalls auf dem Siliziumsubstrat 2 des Sensorbauelementes integriert ausgebildete Auswerteschaltung mit der Bezugsziffer 9 versehen.

Gemäß Figur 3 sind die Kapazitäten Cl und C2 durch die Signa- le 13,14 gleichphasig angesteuert, wobei die Ausgänge der Ka- pazitäten Cl und C2 gemeinsam an dem getakteten Schalter 12 anliegen, der der Schaltungsanordnung 9 vorgeschaltet ist.

Die Schaltungsanordnung 9 und der Schalter 12 stehen schema- tisch für einen Analog-Digital (A/D)-Wandler, der wiederum ei- nen Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung und ein zweistufi- ges Digitaldezimierungsfilter besitzt (in den Figuren nicht näher dargestellt).

Bei dieser Ansteuerung ergibt sich ein im Wesentlichen aus der Summe der beiden Einzelsignale von Cl und C2 geliefertes Nutzsignal. Für einwandfreie Sensoren gilt : Cl ist identisch zu C2 und Cl + C2 ergeben ein druckabhängiges Nutzsignal.

Gemäß Figur 4 werden die Kapazitäten Cl und C2 durch die Si- gnale 15,16 gegenphasig angesteuert. Bei dieser Ansteuerung ergibt sich eine Subtraktion der kapazitiven Eingangssignale und ein aus der Differenz der beiden Einzelsignale von Cl und C2 geliefertes Diagnosesignal, mit dem festgestellt wird, ob der Sensor in Ordnung ist.

Das Diagnosesignal ist bei einwandfreien Sensoren NULL (abgesehen von einer eventuellen Offsetkorrektur) und hat im Falle einer Beschädigung des Sensors einen von NULL verschie- denen Wert.

Das Prinzip der Erfindung beschränkt sich allerdings nicht auf das in den Figuren 3 und 4 ausgeführte Beschaltungsbei- spiel mit entweder streng gleichphasiger oder streng gegen- phasiger Ansteuerung der Einzelkapazitäten Cl und C2. Viel- mehr sind auch komplexere Beschaltungen möglich.

In Figur 5 ist hierzu ein weiteres Ausführungsbeispiel darge- stellt, bei dem die (wechselweise angesteuerten) Kapazitäten Cl und C2 jeweils getrennten Schaltern 17,18 zugeordnet sind, die wiederum zwei getrennten Eingängen einer als Operations- verstärkerschaltung bzw. Komparatorschaltung ausgebildeten Auswerteschaltung 11 zugeordnet sind.

Bezugszeichenliste 1 kapazitiver Drucksensor 2 Siliziumsubstrat 3 Polysiliziumfolie 4 Hohlraume 5 Oxidschicht 6 Wannenbereich 7,8 Teilstrukturen 9,11 Auswerteschaltungen 12 getakteter Schalter 13,14,15,16 Signale 17,18 getakteter Schalter