Digitaler Sensor Die Erfindung betrifft einen digitalen Sensor mit einem Sensorelement, einem Digitalteil, einer Sample- und Hold-Stufe und einer Ausgangsstufe sowie mit Mitteln zur Speicherung elektrischer Energie, wobei das Sensorelement, das Digitalteil, die Sample- und Hold-Stufe, die Ausgangsstufe und die Mittel zur Speicherung elektrischer Energie durch eine Stromversorgung mit elektrischer Energie versorgt werden, wobei der Sensor an einem Sensorausgang den von dem Sensorelement ermittelten und von dem Digitalteil digitalisierten und/oder ausgewerteten Messwert einer nachfolgenden elektronischen Schaltung in digitaler Form zur Verfügung stellt.

Zum Beispiel in der Automobiltechnik werden seit vielen Jahren Sensoren eingesetzt, die eine Vielzahl physikalischer Größen in Form von Messwerten erfassen können und dazu beitragen den Betrieb von Kraftfahrzeugen sicherer, effizienter und komfortabler zur gestalten. Die physikalischen Größen werden dabei zunächst als analoge Messwerte erfasst. Beispielsweise ist die Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes, insbesondere in der Automobilindustrie, von hoher Bedeutung, da diese Größen zur optimierten Steuerung von

Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen benötigt werden. Bis lang wurden die von Sensoren zur Erfassung des Massenstroms und der Temperatur eines Fluidstromes ermittelten Werte dem Motorsteuergerät im Kraftfahrzeug auch in analoger Form zur Verfügung gestellt. Analoge Signale haben jedoch den Nachteil, dass sie störanfällig sind und zum Beispiel durch elektromagnetische Störfelder erheblich verfälscht werden können. Daher ist eine Digitalisierung der von den Sensorelementen ermittelten analogen Messwerte noch im Sensor selber vorteilhaft. Dies geschieht mit Analog/Digital-Wandlern, die im Sensor selber in einem Digitalteil angeordnet sein können. Bei einem Ausfall der Stromversorgung des Sensors erweisen sich die digitalen Sensoren jedoch als problematisch, da sofort nach dem Stromausfall kein digitales Signal mehr zur Verfügung steht und die nachfolgenden elektronischen Geräte infolge der feh- lenden Messwerte in den Notlaufmodus schalten, der in der Regel eine wesentlich verschlechterte Leistung der zu steuernden Aggregate verursacht. Zudem ist nach der Stromunterbrechung eine Rekonfiguration des digitalen Sensors notwendig, die ebenfalls einen nicht unerheblichen Zeitraum beansprucht. In diesem Zeitraum liegen keine verwertbaren Messwerte des Sensors vor.

Bei analog arbeitenden Sensoren wird dieses Problem durch einen mehr oder weniger großen Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung gelöst, der auch bei einer Stromunterbrechung für eine gewisse Zeit für eine weitere Zufuhr elektrischer Energie sorgt . Wenn die Energie aus dem Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung nicht mehr ausreicht, beendet das Sensorelement die Vermessung der entsprechenden physikalischen Größe. In der Leitung des Sensorausgangs ist bei analogen Sensoren jedoch ebenfalls ein Kondensator vorhanden, der nach dem Ausfall des Sensorelements den zuletzt erfassten analogen Messwert noch eine gewisse Zeit beibehält und dann langsam die anliegende Spannung, die proportional zum Messwert ist, verliert. Damit stellt der analoge Sensor noch eine relativ lange Zeit nach der Unterbrechung des Versorgungs Stroms am Sensorausgang einen Messwert zur Verfügung, der dem letzten vom Sensorelement erfassten Messwert nahe kommt. Sobald die Zufuhr des Versorgungsstroms zum Sensor wieder hergestellt ist, kann der Sensor neue Messwerte liefer, ohne den beim digitalen Sensor notwendigen Prozess der Initialisierung zu durchlaufen.

Auch bei digital arbeitenden Sensoren kann die Energieversorgung des Sensors bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr durch einen mehr oder weniger großen Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung aufrecht erhalten werden. Der Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung sorgt auch während einer

Stromunterbrechung für eine gewisse Zeit für eine weitere Zufuhr elektrischer Energie. Da aber viele Sensorelemente (zum Beispiel Luftmassenmesser auf der Basis von Heißfilmelementen) sehr viel elektrische Energie verbrauchen, ist der Vorrat an elektrischer Energie im Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung rasch aufgebraucht. Da der digitale Sensor an seinem Sensorausgang die Messwerte zu den physikalischen Größen in digitaler Form (also zum Beispiel als Bitfolge) zur Verfügung stellt, kann ein Kondensator in der Leitung des Sensorausgangs das letzte gemessene Signal nicht aufrecht erhalten. Sobald also nach der Versorgungsstromunterbrechung die elektrische Energie aus dem Kondensator in der Zuleitung der Stromversorgung aufgebraucht ist, bricht der gesamte Sensor zusammen und es steht der nachfolgenden Elektronik überhaupt kein Messwert mehr zur Verfügung. In solchen Situationen läuft in der nachfolgenden Elektronik ein Notlaufprogramm an, was zu wesentlich verschlechterten Leistungen der zu steuernden Aggregate führt. Zudem dauert ein Neustart eines abgeschalteten digitalen Sensors relativ lange, womit das Notlaufprogramm relativ lange notwendig ist .

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen digitalen Sensor anzugeben, der auch nach einer Unterbrechung der Zufuhr des Versorgungsstromes möglichst lange verwendbare Messwerte der zu messenden physikalischen Größe liefert.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in :

Fig. 1 einen analogen Sensor in einer schematisierten

Darstellung, Fig. 2 einen digitalen Sensor in einer schematisierten Darstellung,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen digitalen Sensor,

Fig. 4 einen digitalen Sensor mit einem Gassensorelement.

Figur 1 zeigt einen analogen Sensor 1 mit einem Sensorelement 3 in einer schematisierten Darstellung. Das Sensorelement 3 ist mit einer Stromversorgungsleitung 4 verbunden, die an eine

Stromversorgung 19 angeschlossen ist. Mit der Stromversorgungsleitung 4 ist ein erster Kondensator 5 verbunden, der die Stromversorgungsleitung 4 von einer Masse 6 trennt. Dieser erste Kondensator 5 wird von der Stromversorgung 19 aufgeladen. Der erste Kondensator 5 kann mit einer relativ hohen Kapazität ausgestattet sein, so dass er eine große Menge elektrischer Energie speichern kann. Falls die Stromversorgung 19 ausfällt oder vorrübergehend versagt, kann die im ersten Kondensator 5 gespeicherte elektrische Energie zur Versorgung des Sensor- elements 3 verwendet werden. Damit kann der Sensor 1 auch bei einem Ausfall der Stromversorgung 19 weiterhin Messwerte aufnehmen und über die Signalleitung 7 einer hier nicht dargestellten nachfolgenden Elektronik, z. B. einem Motorsteuergerät in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stellen.

Da der Vorrat an elektrischer Energie im ersten Kondensator 5 begrenzt ist, kann der analoge Sensor 1 nur eine gewisse Zeit nach dem Ausfall der Stromversorgung 19 weiter arbeiten und Messwerte erfassen. Wenn der Vorrat an elektrischer Energie im ersten Kondensator 5 aufgebraucht ist, kann das Sensorelement 3 nicht mehr betrieben werden und dann kann auch keine Signale mehr an eine nachfolgende Elektronik geliefert werden. Um dennoch der nachfolgenden Elektronik einen Messwert zur Verfügung zu stellen, der weitgehend dem letzten Messwert des Sensorelementes 3 entspricht, ist mit der Signalleitung 7 ein zweiter Kondensator 8 verbunden, der in diesem Beispiel zwischen die Signalleitung 7 und die Masse 6 geschaltet ist. Dieser zweite Kondensator 8 wird ein elektrisches Potential annehmen, das weitgehend dem Messwert entspricht, der von dem Sensorelement 3 gemessen wird und als Spannungswert an die Signalleitung 7 geliefert wird. Wenn jedoch die Stromversorgung 19 ausgefallen ist und der Vorrat an elektrischer Energie im ersten Kondensator 5 aufgebraucht ist, liefert das Sensorelement 3 keine Messwerte mehr an die Signalleitung 7. Dennoch liegt an der Signalleitung 7 das vom zweiten Kondensator 8 gelieferte Potential an, das weitgehend dem letzten Spannungswert und damit dem letzten Messwert des Sensorelementes 3 entspricht. Das vom zweiten Kondensator 8 gelieferte Potential wird danach nur langsam abfallen und sich dem Massepotential annähern, womit auch nach dem Ausfall des Sensorelementes 3 für eine gewisse Zeit ein Signal an der Signalleitung 7 anliegt, das weitgehend dem letzten Signal entspricht, das das Sensorelement 3 geliefert hat. Hierzu hat der zweite Kondensator 8 in der

Signalleitung 7 bei dem analogen Sensor 2 eine Zeitkonstante von etwa 10 bis 100 sec und die Kapazität dieses Kondensators ist entsprechend hoch. Damit kann die nachfolgende Elektronik, z. B. ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug, noch eine relativ lange Zeit weiterarbeiten, nachdem die Stromversorgung 19 des analogen Sensors 1 unterbrochen wurde.

Wenn dann die Stromversorgung 19 wiederhergestellt wurde, ist der analoge Sensor in der Regel sehr schnell wieder messbereit und er kann Signale, die der zu vermessenden physikalischen Größe entsprechen, an die Signalleitung 7 liefern und damit die nachfolgenden Elektronik im Kraftfahrzeug ansteuern.

Fig. 2 zeigt einen digitalen Sensor 2. Der digitale Sensor 2 setzt sich aus einem Sensorelement 3, einem Digitalteil 10, einer

Sample- und Holdstufe 11 und einer Ausgangsstufe 12 zusammen. Der digitale Sensor 2 kann noch weitere digitale und analoge Schaltungselemente enthalten. Das Sensorelement 3 erfasst eine physikalische Größe und stellt der Größe entsprechende Messwerte in analoger Form zur Verfügung. In der Regel werden die Messwerte in Form einer elektrischen Spannung zur Verfügung gestellt, die proportional zur gemessenen Größe ist. Diese elektrische Spannung wird im digitalen Sensor 2 aus ihrer analogen Form in eine digitale Form gewandelt, was im Digitalteil 10 erfolgt . Dazu ist im Digitalteil 10 ein Analog-Digital-Wandler vorhanden. Die Arbeitsweise von Analog-Digital-Wandlern ist dem Fachmann bekannt. Der Analog-Digital-Wandler stellt ein digitales Signal zur Verfügung, das zur analogen Eingangsgröße proportional ist. Dieses digitale Signal wird vom Digitalteil an die Sample- und Holdstufe geliefert. In der Sample- und Holdstufe wird das digitale Signal solange eingespeichert, bis ein neues digitales Signal vom Digitalteil 10 zur Verfügung gestellt wird. Die

Ausgangs stufe 12 sendet das digitale Signal über die Signalleitung 7 an eine nachfolgende Elektronik, z. B. ein Steuergerät in einem Kraftfahrzeug. Die Stromversorgungsleitung 4 verbindet den digitalen Sensor 2 mit einer Stromversorgung 19. Mithilfe der Stromversorgungsleitung 4 wird das Sensorelement 3, das Digitalteil 10, die Sample- und Holdstufe 11 und die Ausgangsstufe 12 mit elektrischer Energie versorgt. Auch bei dem digitalen Sensor 2 ist die Stromversorgungsleitung 4 mit einem ersten Kondensator 5 verbunden, der elektrische Energie speichert und damit als Mittel 5 zur Speicherung elektrischer Energie dient. Neben einem Kondensator 5 sind auch andere Mittel 5 zur Speicherung elektrischer Energie denkbar, zum Beispiel Batterien oder Akkumulatoren. Beim Ausfall der Stromversorgung 19 kann die im Mittel zur Speicherung elektrischer Energie gespeicherte elektrische Energie genutzt werden, um das Sensorelement 3, das Digitalteil 10, die Sample- und Holdstufe 11 und die Ausgangsstufe 12 mit elektrischer Energie zu versorgen. Damit kann der digitale Sensor 2 auch bei einem Ausfall der Stromversorgung 19 noch eine gewisse Zeit weiter arbeiten und Messwerte liefern, bis auch die Energie in dem Mittel 5 zur Speicherung der elektrischen Energie, also in diesem Ausführungsbeispiel im ersten Kondensator 5, aufgebraucht ist.

Entgegen der Lösung beim analogen Sensor 1, die in Fig. 1 dargestellt wurde, kann ein zweiter Kondensator 8 in der Signalleitung 7 des digitalen Sensors 2 nach dem Ausfall des Sensorelementes 3 keine Signale, die dem letzten Messwert entsprechen, über die Signalleitung 7 an die nachfolgende Fahrzeugelektronik senden. Die Signale, die vom digitalen Sensor 2 über die Signalleitung 7 an die nachfolgende Fahrzeugelektronik gesendet werden, sind ausschließlich digitale Signale, also Bitfolgen, die von dem zweiten Kondensator 8 nicht reproduziert werden können. Der zweite Kondensator 8 in der Signalleitung 7 hat beim digitalen Sensor 2 lediglich die Funktion der Entstörung der Signalleitung 7, womit die Zeitkonstante für den zweiten Kondensator 8 in der Signalleitung 7 des digitalen Sensors 2 bei etwa 10 bis 100 sec liegt und die Kapazität dieses Kondensators entsprechend gering ist. Nach dem Ausfall der Stromversorgung 19 und dem erschöpfenden Verbrauch der gespeicherten elektrischen Energie im ersten Kondensator 5 bricht der digitale Sensor 2 vollständig zusammen und liefert keinerlei Information über die Signalleitung an die nachfolgende Kraftfahrzeugelektronik. Die nachfolgende Kraftfahrzeugelektronik muss in einem solchen Fall in ein Notlaufprogramm gesteuert werden, das zu einer wesentlich verschlechterten Ansteuerung der zu steuernden Aggregate, z. B. des Verbrennungsmotors führt. Wenn das Sensorelement 3 des digitalen Sensors z. B. als Massenstromsensorelement 13 ausgebildet ist, das nach dem Heißfilmprinzip arbeitet, verbraucht dieses Sensorelement 3, 13 sehr viel elektrische Energie, womit die in dem Mittel 5 zur Speicherung der elektrischen Energie gespeicherte elektrische Energie sehr bald aufgebraucht ist, nachdem die Stromversorgung 19 unterbrochen wurde oder ausgefallen ist. Damit kann z. B. ein digitaler Massenstromsensor nur eine sehr kurze Zeit weiterarbeiten, bis er nach einem Stromausfall seinen Dienst vollständig einstellt.

Auch wenn danach die Stromversorgung 19 wiederhergestellt ist, muss der digitale Sensor 2 erst erneut initialisiert werden, wobei wiederum Zeit verbraucht wird, bis ein der zu messende Größe proportionales Signal über die Signalleitung 7 zur Verfügung gestellt wird. Damit wirken sich Ausfälle der Stromversorgung 19 auf einen digitalen Sensor 2 wesentlich nachhaltiger aus als auf einen analogen Sensor 1.

Diese Nachteile werden durch einen in Fig. 3 dargestellten digitalen Sensor 2 vermieden.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen digitalen Sensor 2 mit einem Sensorelement 3, einem Digitalteil 10, einer Sample- und Holdstufe 11 und einer Ausgangsstufe 12. Das Sensorelement 3 ist in diesem Beispiel als Massenstromsensorelement 13 ausgebildet. Derartige Massenstromsensorelemente 13 sind bekannt und werden beispielsweise in der EP 374 352 AI und der EP 866 950 Bl beschrieben. Moderne Massenstromsensorelemente 13 werden mikromechanisch gefertigt und können als Bestandteil einer integrierten Schaltung zusammen mit dem Digitalteil 10, der Sample- und Holdstufe 11 und der Ausgangsstufe 12 auf einem einzigen Siliziumchip ausgebildet sein. Zu erkennen ist bei dem digitalen Sensor 2 wiederum die Stromversorgungsleitung 4, die den digitalen Sensor 2 mit der Stromversorgung 19 verbindet. An der Stromversorgungsleitung 4 ist das Mittel 5 zu Speicherung elektrischer Energie in Form eines Kondensators ausgebildet. Weiterhin ist in der Stromversorgungsleitung 4 ein Schalter 9 zu erkennen, der in der Regel als elektronischer Schalter ausgebildet ist und der die Aufgabe hat bei einem Ausfall der Stromversorgung Bauteile mit einem hohen Stromverbrauch, wie z. B. das Sensorelement 3, von den Mitteln 5 zur Speicherung der elektrischen Energie abzutrennen. Der Schalter 9 gewährleistet somit, dass nur diejenigen Bauteile des digitalen Sensors 2 weiterhin mit elektrischer Energie versorgt werden, die un- bedingt notwendig sind, um nach einem Ausfall der Stromversorgung 19 weiterhin den letzten in der Sample- und Holdstufe 11 abgelegten Messwert solange an die Signalleitung zu senden, bis der Ausfall der Stromversorgung 19 beendet ist und ein neuer Messwert in der Sample- und Holdstufe 11 von den Sensorelement 3 abgelegt ist. In diesem Beispiel trennt der Schalter 9 beim Ausfall der Stromversorgung das Massenstromsensorelement 13 und das Digitalteil 10 von den Mitteln 5 zur Speicherung elektrischer Energie ab. Damit müssen die Mittel 5 zur Speicherung elektrischer Energie lediglich die Sample- und Holdstufe 11 und die Ausgangs stufe 12 weiterhin mit elektrischer Energie versorgen. Da die Sample- und Holdstufe 11 und die Ausgangsstufe 12 vergleichsweise wenig elektrische Energie verbrauchen, kann das Mittel 5 zur Speicherung elektrischer Energie über eine relativ lange Zeit die Stromversorgung der Sample- und Holdstufe 11 und der Ausgangsstufe 12 nach dem Ausfall der Stromversorgung 19 gewährleisten. Der letzte von dem Sensorelement 3 ermittelte und in der Sample- und Holdstufe 11 abgelegte Messwert kann damit über eine lange Zeit in der Signalleitung 7 zur Verfügung gestellt werden und zur Ansteuerung einer nachfolgenden elektronischen Schaltung dienen. Diese nachfolgende elektronische Schaltung kann z. B. ein MotorSteuergerät in einem Kraftfahrzeug sein. Der hier gezeigte zweite Kondensator 8 dient wiederum nur zur

Verbesserung der elektromagnetischen Eigenschaften der Signalleitung 7 und er hat keinerlei Einfluss auf die Aufrechterhaltung von binären Ausgangssignalen in der Signalleitung 7. Fig. 4 zeigt einen digitalen Sensor 2 mit allen Merkmalen des digitalen Sensors aus Fig. 3, wobei in Fig. 4 das Sensorelement 3 als Gas sensorelement 14 ausgebildet ist. Das Sensorelement kann jedoch auch als Drucksensorelement, Temperatursensorelement, Positionssensorelement oder Drehzahlsensorelement ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, dass ein Kombination aus zwei oder mehr der zuvor genannten Sensorelemente auf dem digitalen Sensor ausgebildet sind.