Titel

Variable Widerstandsanordnung, Messbrückenschaltung und Verfahren zum Kalibrieren einer Messbrückenschaltung

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine variable Widerstandsanordnung, auf eine Messbrückenschaltung, auf ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messbrückenschaltung sowie auf ein entsprechendes Steuergerät und Computerprogrammprodukt.

In einer Schaltung, die auf dem elektrischen Gleichgewicht in beispielsweise zwei Strängen basiert, ist aufgrund von Bauteiltoleranzen und Fertigungstoleranzen eine Möglichkeit zum Justieren des Widerstands zumindest eines der Stränge erforderlich. Beispielsweise können mittels irreversiblen Justierverfahren, wie Laser-Trimmung oder Zener-Zapping einzelne Widerstände einer kaskadierten Anordnung von Widerständen überbrückt oder kurzgeschlossen werden, um einen resultierenden Widerstand der Anordnung anzupassen. Bei einer Störung des Gleichgewichts, beispielsweise aufgrund von Bauteilalterung in den Strängen ist ein erneutes Justieren erforderlich. Dazu kann die kaskadierte Anordnung ausgetauscht und justiert werden.

Eine Einrichtung zum Abgleich von Sensorsignalen ist aus der DE 4 1 15 288 A1 bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung eine variable Widerstandsanordnung, eine Messbrückenschaltung, ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messbrückenschaltung sowie schließlich ein entsprechendes Steuergerät und Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Memristor einen eingeschriebenen elektrischen Widerstandswert speichern kann, solange der Memristor oberhalb einer Grenzfrequenz und/oder unterhalb einer Grenz-Stromstärke betrieben wird. Der elektrische Widerstandswert kann vergrößert oder verkleinert werden, wenn der Memristor mit einem Strom unterhalb der Grenzfrequenz und/oder oberhalb der Grenz-Stromstärke bestromt wird. Eine Schaltung mit einem Memristor kann zum Kalibrieren der Schaltung unterhalb der Grenzfrequenz und/oder oberhalb der Grenz-Stromstärke betrieben werden. Die Schaltung mit dem Memristor kann im Betrieb oberhalb der Grenzfrequenz und/oder unterhalb der Grenz-Stromstärke betrieben werden und die Kalibrierung bleibt erhalten.

Vorteilhafterweise kann ein einzelner Memristor, der eine geringe Fläche belegt, eine große Anzahl von Einzelbauteilen ersetzen, die herkömmlicherweise zum Kalibrieren vorgehalten werden und eine große Fläche belegen. Dadurch kann eine Schaltung mit dem Memristor kleiner ausgeführt werden. Da der Memristor immer wieder kalibriert werden kann, kann die Schaltung fest verbaut werden, da kein Schaltungstausch erforderlich ist. Aufgrund der geringeren Teilezahl kann die Schaltung ferner kostengünstig bereitgestellt werden.

Die vorliegende Erfindung schafft eine variable Widerstandsanordnung mit folgenden Merkmalen: einem ersten Bauelement mit einem unveränderlichen elektrischen Widerstandswert; und einem Memristor mit einem veränderbaren elektrischen Widerstandswert, der parallel zu dem ersten Bauteil geschaltet ist, um einen elektrischen Gesamtwiderstandswert der Widerstandsanordnung zu variieren.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung eine Messbrückenschaltung, mit folgenden Merkmalen: einem ersten Ast, der einen in Reihe geschalteten ersten Widerstand und einen unveränderlichen Widerstand aufweist, wobei zwischen dem ersten Widerstand und dem unveränderlichen Widerstand eine erste Abgriffstelle angeordnet ist; und einem zweiten Ast, der einen in Reihe geschalteten zweiten Widerstand und eine variable Widerstandsanordnung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz aufweist, wobei zwischen dem zweiten Widerstand und der Widerstandsanordnung eine zweite Abgriffstelle angeordnet ist, wobei der erste Ast und der zweite Ast parallel geschaltet sind und zwischen der ersten Abgriffstelle und der zweiten

Abgriffstelle ein Messinstrument anordenbar ist.

Desweiteren schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren einer Messbrückenschaltung gemäß dem hier vorgestellten Ansatz, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

Ermitteln eines Messwerts des Messinstruments, wenn der erste Widerstand einer physikalischen Kalibriergröße ausgesetzt ist und der zweite Widerstand ebenfalls einer physikalischen Kalibriergröße ausgesetzt ist; und

Verändern des elektrischen Widerstandswerts des Memristors der variablen Widerstandsanordnung bis der Messwert in einem Toleranzbereich um einen vorbestimmten Wert ist, um die Messbrückenschaltung zu kalibrieren.

Unter einem Bauelement mit einem unveränderlichen elektrischen Widerstandswert kann ein Widerstand verstanden werden, der innerhalb eines Toleranzbereichs über seine Lebensdauer gleich bleibt. Unter einem Memristor kann ein Bauelement mit einem veränderbaren elektrischen Widerstandswert verstanden werden. Ein elektrischer Gesamtwiderstand einer Parallelschaltung kann als Kehrwert einer Summe eines Kehrwerts des Widerstandswerts des ersten Bauelements und eines Kehrwerts des Widerstandswerts des Memristors bzw. des zweiten Bauelements verstanden werden. Das erste Bauelement und das zweite Bauelement können einzelne diskrete Bauelemente sein. Eine Messbrückenschaltung kann einen ersten Anschlusspunkt für eine Speisespannung und einen zweiten Anschlusspunkt für die Speisespannung aufweisen. Der erste Ast kann an den Anschlusspunkten mit dem zweiten Ast elektrisch verbunden sein. Eine Abgriffstelle kann ein Anschlusspunkt sein. Ein Messinstrument kann ein Strommessgerät oder ein Spannungsmessgerät sein. Unter einer physikalischen Kalibriergröße kann beispielsweise eine vorbestimmte Kraft verstanden werden. Zum Beispiel kann die Kalibriergröße so definiert sein, dass keine äußere Einwir- kung auf den Widerstand einwirkt. Die Kalibriergrößen können gleich sein. Zum

Verändern des elektrischen Widerstandswerts kann beispielsweise ein gleichgerichteter Strom oder eine gleichgerichtete Spannung an den Memristor angelegt werden. Durch ein Aufschalten einer gleichgerichteten Komponente auf den Memristor können Ladungsträger im Memristor eine Ortsveränderung erfahren, die einen elektrischen Widerstand des Memristors vergrößern oder verkleinern können. Die gleichgerichtete Komponente kann eine Mindestgröße und/oder eine Mindestdauer aufweisen.

Der erste Widerstand und/oder der zweite Widerstand kann ein messgrößensen- sitiver Widerstand sein, und dazu ausgebildet sein, eine Veränderung einer physikalischen Größe am Sensor in einer entsprechenden Änderung eines elektrischen Widerstandswerts abzubilden. Beispielsweise kann ein messgrößensensi- tiver Widerstand ein piezoresistiver Drucksensor oder ein Längensensor sein.

Der erste messgrößensensitive Widerstand kann vor den unveränderlichen Widerstand geschaltet sein. Die variable Widerstandsanordnung kann vor den zweiten messgrößensensitiven Widerstand geschaltet sein. Durch diese Anordnung kann eine Halbbrückenschaltung realisiert werden. Die Schaltung kann auch als Viertelbrücke mit nur einem messgrößensensitiven Widerstand aufgebaut werden.

Die variable Widerstandsanordnung kann zumindest einen extern zugreifbaren Kalibrierungsanschluss aufweisen. Über einen Kalibrierungsanschluss kann der Memristor unmittelbar bestromt werden. Dadurch kann eine Auswirkung der an- deren Bauelemente auf den Kalibriervorgang minimiert werden.

Zwischen der ersten Abgriffstelle und der zweiten Abgriffstelle kann eine Spannungsmesseinrichtung angeordnet sein. Die Messbrückenschaltung kann mit einem konstanten Strom bestromt werden. Eine Veränderung an den messgrö- ßensensitiven Widerständen kann durch eine Änderung eines Spannungswerts an der Spannungsmesseinrichtung abgebildet werden. Im Schritt des Veränderns kann der Widerstandswert solange in einer Richtung stetig vergrößert werden, bis der Messwert aus dem Toleranzbereich austritt. Ein Intervall des Widerstandswerts zwischen dem Eintritt des Messwerts in den Tole- ranzbereich und dem Austritt des Messwerts aus dem Toleranzbereich kann ermittelt werden. Anschließend kann der Widerstandswert um einen vorbestimmten Anteil, insbesondere die Hälfte, des Intervalls stetig verkleinert werden. Oder es kann im Schritt des Veränderns der Widerstandswert solange stetig verkleinert werden, bis der Messwert aus dem Toleranzbereich austritt. Ein Intervall des Wi- derstandswerts zwischen dem Eintritt des Messwerts in den Toleranzbereich und dem Austritt des Messwerts aus dem Toleranzbereich kann ermittelt werden. Anschließend kann der Widerstandswert um einen vorbestimmten Anteil, insbesondere die Hälfte, des Intervalls stetig vergrößert werden, um die Messbrückenschaltung zu kalibrieren. Durch ein Erfassen eines ersten Werts des Wi- derstands beim Eintritt in den Toleranzbereich und einem zweiten Wert des Widerstands beim Austritt aus dem Toleranzbereich ergibt sich ein Widerstandsband, in dessen Mitte der Widerstandswert eingestellt werden kann, um die Messbrücke abzustimmen. Ein Intervall kann eine Breite des Widerstandsbands repräsentieren. Der Widerstandswert kann beispielsweise vergrößert werden, bis der Toleranzbereich verlassen ist. Dann kann der Widerstandswert wieder verkleinert werden, bis der vorbestimmte Anteil des Intervalls erreicht wird.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtun- gen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der

Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.

Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden wer- den, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer Software- mäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wobei das Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Messbrückenschaltung mit einer variablen Widerstandsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Kalibrieren einer Messbrückenschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Messbrückenschaltung 100 mit einer variablen Widerstandsanordnung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Messbrückenschaltung 100 weist zwei Äste auf. In einem der Äste ist ein erster messgrößensensitiver Widerstand Ri(x) und die variable Widerstandsanordnung 102 in Reihe geschaltet. Zwischen beiden ist eine erste Abgriffstelle 104 angeordnet. Im anderen der Äste ist ein zweiter messgrößensensitiver Widerstand R ₂ M und ein erster unveränderlicher Widerstand R _fix ,1 in Reihe geschaltet. Zwischen beiden ist eine zweite Abgriffstelle 106 angeordnet .Beide Äste sind parallel zueinander zwischen einem ersten Anschluss 108 und einem zweiten Anschluss 1 10 geschaltet. Die variable Widerstandsanordnung 102 weist einen zweiten unveränderlichen Widerstand R _fix ,2 und einen parallel dazu geschalteten Memristor M auf. Im Betrieb wird die Messbrückenschaltung 100 mittels einer Versorgungsspannung Uv zwischen dem ersten Anschluss 108 und dem zweiten Anschluss 1 10 durch beide Äste der Messbrückenschaltung 100 versorgt. Der zweite Anschluss 1 10 kann auf einem Nullpotential GND liegen. Wenn beide Äste zueinander im Gleichgewicht stehen fließt zwischen der ersten Abgriffstelle 104 und der zweiten Abgriffstelle 106 kein Strom und es liegt keine Spannung U an. Wenn die Messbrückenschaltung 100 beispielsweise aufgrund einer Drift eines der messgrö- ßensensitiven Widerstände Ri(x), R ₂ M verstimmt ist, obwohl beide messgrößen- sensitiven Widerstände Ri(x), R ₂ M unbelastet sind, ist eine Kalibrierung der Messbrückenschaltung 100 erforderlich, um den Stromfluss zwischen den Abgriffstellen 104, 106 zu unterbinden. Zum Kalibrieren der Messbrückenschaltung 100 wird die variable Widerstandsanordnung 102 verändert, bis das Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Um einen Widerstandswert des Memristors M zu verändern wird von einem Memristorterminal zu dem zweiten Anschluss 1 10 durch den Memristor M ein Memristorstrom l _M angelegt. Der Memristorstrom l _M kann einen hohen Gleichstromanteil aufweisen. Durch den Memristorstrom l _M werden Ladungsträger innerhalb des Memristors M bewegt, wodurch sich eine Leitfähigkeit, also der Widerstandswert des Memristor M ändert.

Während die Messbrückenschaltung 100 mit einer Spannung U _v mit einer Trä- gerfrequenz betrieben wird, die höher als eine Grenzfrequenz des Memristors M ist, verändert sich der Widerstandswert des Memristors M nicht. Zwischen den Abgriffstellen 104, 106 kann dann ein Amplitudenmoduliertes Signal U abgegriffen werden, das eine Messgröße an den messgrößensensitiven Widerständen R^x), R ₂ (x) abbildet.

Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Kalibrieren einer Messbrückenschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt des Ermitteins 202 und einen Schritt des Veränderns 204 auf. Im Schritt des Ermitteins 202 wird ein Messwert des Messinstruments ermittelt, wenn der erste messgroßensensitive Widerstand einer physikalischen Kalibriergröße ausgesetzt ist und der zweite messgrößen- sensitive Widerstand ebenfalls einer physikalischen Kalibriergröße, ausgesetzt ist. Insbesondere können die Kalibriergrößen identisch sein, oder gleich groß bei entgegengesetzten Vorzeichen sein. Beispielsweise können die messgrößen- sensitiven Widerstände lediglich ihrem Eigengewicht oder einer Grundlast aus- gesetzt sein. Im Schritt des Veranderns 204 wird der elektrische Widerstandswert des zweiten Bauelements der variablen Widerstandsanordnung (des Memristors) verändert, bis der Messwert in einem Toleranzbereich um einen vorbestimmten Wert ist. Beispielsweise kann der vorbestimmte Wert ein vorbestimmtes Spannungsniveau, wie null Volt sein. Der Toleranzbereich kann beispielsweise unter Berücksichtigung einer Messungenauigkeit festgelegt werden.

Mit anderen Worten kann ein Memristor M ein Widerstandsnetzwerk zum Abgleich von Sensoren Ri(x), R ₂ (x) ersetzen. Ein solches Widerstandsnetzwerk kann z.B. durch Laser-Trimmung oder durch Zener-Zapping zum Abgleichzeit- punkt auf den gewünschten Wert eingestellt werden.

Das Prinzip des Memristors M lässt sich theoretisch am besten im Vergleich mit den anderen passiven Bauelementen beschreiben. Allen Bauelementen liegt die Verkopplung der elektrischen Ladung und ihrer Ableitung (Strom) auf der einen Seite und des magnetischen Flusses und seiner Ableitung (Spannung) auf der anderen Seite zu Grunde. Auf dieser Basis entspricht ein elektrischer Widerstand einer Ableitung der Spannung nach dem Strom, eine Induktivität entspricht einer Ableitung des Flusses nach dem Strom, eine (reziproke) Kapazität entspricht einer Ableitung der Spannung nach der Ladung und eine Memristivität entspricht einer Ableitung des Flusses nach der Ladung.

In einer mikrosystemtechnischen Realisierung eines Memristors werden sehr dünne (einige nm) Titandioxid-Schichten zwischen Platinelektroden aufgebracht. Wird nun ein Teil der Ti0 ₂ -Schicht mit Sauerstofffehlstellen dotiert, stellt sich in diesem Teil eine hohe elektrische Leitfähigkeit ein, während der undotierte Teil ein Isolator ist. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes, also Spannung, lässt sich die Trennlinie zwischen den Bereichen verschieben und damit der Gesamtwiderstand der Schicht verändern. Dabei ist jedoch nicht nur die Höhe des Feldes entscheiden, sondern auch die Historie des Feldverlaufs (ähnlich wie bei ei- nem Kondensator die gespeicherte Ladung von der Historie der Bestromung abhängt). Auch die Geschwindigkeit der Feldänderung spielt eine große Rolle. Das Verhalten ist also (wie bei Induktivitäten und Kapazitäten auch) stark frequenzabhängig. Dies lässt sich ausnutzen um Memristoren als nichtflüchtigen analogen Speicher zu nutzen. Der Widerstand eines Memristors kann mit niedrigen Frequenzen und hohen Feldern eingestellt (beschrieben) werden, während das Auslesen mit kleinen hochfrequenten Spannungen geschieht, die den Zustand des Memristors nicht verändern, da das Zeitintegral des Stroms konstant bleibt.

Durch einen Memristor können Zener-Zappingkaskaden oder Trimmwiderstandsnetzwerke vermieden werden, die vergleichsweise viel Platz brauchen. Der Platzbedarf steigt umso mehr, je genauer der Abgleichwert eingestellt werden soll, und je größer ein Abgleichbereich ist, da jeder Teil der Kaskade bzw. des Netzwerks nur einen binären Wert repräsentiert. Ein mit Zener- Zappingkaskaden oder Trimmwiderstandsnetzwerken eingestellter Wert ist nur bedingt korrigierbar, ein nachträglicher erneuter Abgleich um z.B. in der Werk- statt die Drift eines Sensors über Lebensdauer zu korrigieren ist meist nur in einer Richtung möglich (vgl. Haareschneiden). Mit einem Memristor als Abgleichelement kann mit einem einzelnen oder wenigen Bauelementen mit geringem Platzbedarf ein analoger Abgleichwert gespeichert werden, der sich bei Bedarf nachträglich korrigieren lässt. Durch einen Memristor in einer Sensoranordnung, wie sie hier vorgestellt ist kann bei verringertem Platzbedarf ein Abgleichwert analog statt digital gespeichert werden und der Abgleichwert kann nachträglich ohne Einschränkung verändert werden.

In Fig. 1 ist beispielsweise eine Sensoranordnung gezeigt deren Signal mit Hilfe einer Wheatstone-Brücke 100 aus zwei veränderlichen Widerständen R(x) in einen elektrischen Wert abgebildet wird. Die veränderlichen Widerstände (z.B. piezoresistive Widerstände auf einer Drucksensormembran) sind mit zwei festen Widerständen (R _fix ) verschaltet. Aus technologischen Gründen kommt es dabei in der Regel zu einer Verstimmung der Brücke 100, die man herkömmlicherweise dadurch korrigieren kann, dass einer der festen Widerstände als Netzwerk aus mehreren Widerständen aufgebaut wird, die z.B. durch Laser-Trimmen einzeln deaktiviert werden können. Dadurch kann die Verstimmung der Brücke 100 weitestgehend ausgeglichen werden, allerdings nur einmalig. Wird wie in Fig. 1 gezeigt, statt des Trimmwiderstandsnetzwerks eine Kombination 102 aus einem normalen Widerstand (R _f i _X ,2) und einem Memristor (M) verwendet, kann zum Abgleichzeitpunkt über ein zusätzliches Terminal der Memristor beschrieben wer- den. Das ermöglicht eine nahezu beliebig genaue Abstimmung der Brücke 100. Für den Fall, dass die Sensoren eine Drift über Lebensdauer aufweisen, ist es so auch möglich, z.B. bei einem Werkstattaufenthalt die Sensoranordnung neu abzugleichen, wohingegen es notwendig wäre, ein Sensor mit herkömmlichem Abgleich auszutauschen. Ein Einsatz des Memristor-Abgleichs ist prinzipiell bei allen Sensoren möglich, bei denen ein Abgleich nach der Herstellung notwendig ist und die nicht über eine interne Auswertelogik verfügen. Dort ist dieser Abgleich ohne Zusatzaufwand möglich.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.

Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.