Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bewerten des Zustands eines Sensors, wobei der Sensor eine auslenkbare mikromechanische Sensorstruktur zum Detek- tieren einer physikalischen Eingangsgröße und zum Umwandeln der physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal aufweist, wobei ein Umgebungsmedium des Sensors direkt oder indirekt auf die mikromechanische Sensorstruktur einwirkt und wobei die mikromechanische Sensorstruktur mittels eines Anregungssignals auslenkbar ist.

Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Sensorsystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Sensorsystems.

Stand der Technik

MEMS - Mikro-Elektro-Mechanisches System - Sensoren werden in der Praxis häufig eingesetzt. Dabei wird der Einfluss einer physikalischen Eingangsgröße auf eine mikromechanische Sensorstruktur des MEMS-Sensors genutzt und die sich dadurch ergebende Änderung einer elektrischen Größe, beispielsweise einer Kapazität, erfasst und ausgewertet. Aufgrund ihrer geringen Größe lassen sich MEMS- Sensoren besonders gut in tragbare Geräte integrieren, wie beispielsweise Smartphones, Smartwatches oder Fitness-Tracker, können aber auch in verschiedensten anderen Einsatzszenarien eingesetzt werden, beispielsweise in loT-Anwendungen - Internet of Things - oder Automotive-Anwendungen.

Wenn eine mikromechanische Sensorstruktur einem Umgebungsmedium ausgesetzt ist, können sich auf dem Sensor bzw. der mikromechanischen Sensorstruktur Ablagerungen bilden, die das Messverhalten des Sensors stören und gewonnene Messwerte verfälschen können. Selbst wenn eine mikromechanische Sensorstruktur durch ein Schutzmittel, beispielsweise ein Gel oder Öl, vor einem direkten Kon- takt mit einer Umgebung geschützt ist und das Umgebungsmedium damit lediglich indirekt auf die mikromechanische Sensorstruktur einwirkt, können sich Ablagerungen auf dem Schutzmittel negativ auf das Messverhalten auswirken. Daher sind Maßnahmen bekannt, mit denen auf derartige Ablagerungen reagiert werden kann.

In einigen Sensorsystemen werden Flüssigkeitsablagerungen durch zusätzliche Detektionseinrichtungen erkannt. Hierzu sei beispielhaft auf die WO 2020/023414 A1 und die US 2019/0383688 A1 verwiesen. Nachteilig an diesen Lösungen ist, dass durch Ergänzen derartiger Detektionseinrichtungen der Platzbedarf und die Kosten des Sensors steigen.

Bei anderen Systemen sind Möglichkeiten zur Rekalibrierung des Sensors geschaffen, mit denen auf ein geändertes Verhalten des Sensors reagiert werden kann. Bei der US 2018/0052185 A1 wird eine Übertragungsfunktion eines Wandlers basierend auf einer Reaktion auf ein eingegebenes elektrisches Signal ermittelt. Daraus werden Parameter zu einer Kalibrierung des Wandlers bestimmt.

Offenbarung der Erfindung

In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bewerten des Zustands eines Sensors bereit, wobei der Sensor eine auslenkbare mikromechanische Sensorstruktur zum Detektieren einer physikalischen Eingangsgröße und zum Umwandeln der physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal aufweist, wobei ein Umgebungsmedium des Sensors direkt oder indirekt auf die mikromechanische Sensorstruktur einwirkt und wobei die mikromechanische Sensorstruktur mittels eines Anregungssignals auslenkbar ist, umfassend die Schritte:

• Erzeugen eines Anregungssignals mittels einer Treibereinheit, wobei das Anregungssignal zumindest eine Amplitudenänderung aufweist,

• Ausgeben des Anregungssignals an die mikromechanische Sensorstruktur,

• Auslenken der mikromechanischen Sensorstruktur durch das Anregungssignal,

• Erfassen eines Antwortverhaltens der mikromechanischen Sensorstruktur in Reaktion auf das Anregungssignal, • Vergleichen des Antwortverhaltens mit einem Referenzverhalten zum Bestimmen eines Abweichungsmaßes für das Antwortverhalten relativ zu dem Referenzverhalten und

• Bewerten des Zustands des Sensors hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung basierend auf dem Abweichungsmaß.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Sensorsystem bereit, das mindestens umfasst:

• einen Sensor mit einer auslenkbaren mikromechanischen Sensorstruktur zum Detektieren einer physikalischen Eingangsgröße und zum Umwandeln der physikalischen Eingangsgröße in ein elektrisches Sensorsignal, wobei ein Umgebungsmedium des Sensors direkt oder indirekt auf die mikromechanische Sensorstruktur einwirkt und wobei die mikromechanische Sensorstruktur mittels eines Anregungssignal auslenkbar ist,

• eine Treibereinheit, die zum Erzeugen und Ausgeben eines Anregungssignals ausgebildet ist, wobei das Anregungssignal zumindest eine Amplitudenänderung aufweist,

• eine Auswerteeinheit, die zum Ermitteln eines Antwortverhaltens der mikromechanischen Sensorstruktur in Reaktion auf das Anregungssignal und zum Bilden eines Abweichungsmaß basierend auf einem Vergleich des Antwortverhaltens mit einem Referenzverhalten ausgebildet ist, und

• eine Bewertungseinheit, die zum Bewerten des Zustands des Sensors hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung basierend auf dem Abweichungsmaß ausgebildet ist.

In einer noch weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform bereit, wobei eine physikalische Eingangsgröße erfasst und in ein elektrisches Sensorsignal umgewandelt wird, wobei eine Ausführungsform des hier beschriebenen Verfahrens zum Bewerten des Zustands des Sensors vorzugsweise in regelmäßigen Zeitabständen automatisch und/oder Ereignis-initiiert und/oder von einem Host-System initiiert durchgeführt wird.

Wenn ein Umgebungsmedium - direkt oder indirekt - auf eine mikromechanische Struktur einwirkt, können sich aus diesem Umgebungsmedium Ablagerungen auf oder bei der mikromechanischen Sensorstruktur bilden. Eine Ablagerung kann dazu führen, dass sich die Masse, die mit der mikromechanischen Sensorstruktur wechselwirkt, verändert. Eine Ablagerung kann auch die Flexibilität der mikromechanischen Sensorstruktur verändern, wenn beispielsweise die Dehnbarkeit oder ein Schwingweg der mikromechanischen Sensorstruktur beeinträchtigt ist. Diese beispielhafte und nicht abschließende Aufzählung zeigt, dass Ablagerungen einen Einfluss auf die mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften der mikromechanischen Sensorstruktur haben und sich Kenngrößen der Schwingung, wie beispielsweise Schwingfrequenz, Eigenfrequenz, Dämpfung, Schwingamplitude und/oder Phasenlage, infolge der Ablagerungen verändern können. Wenn die mikromechanische Sensorstruktur mit einem bekannten Anregungssignal - dynamisch - angeregt und ein Antwortverhalten in Reaktion auf dieses Anregungssignal erfasst wird, lassen sich daher Rückschlüsse auf das Vorhandensein einer Ablagerung ziehen.

Ein „Umgebungsmedium“ ist ein Medium, das den Sensor umgibt und das auf die mikromechanische Sensorstruktur direkt oder indirekt einwirkt. Dies bedeutet üblicherweise, dass die mikromechanische Sensorstruktur nicht in einem Gehäuse gekapselt ist, sondern dass das Umgebungsmedium von außerhalb des Sensors an die mikromechanische Sensorstruktur gelangen kann. In einer Ausgestaltung umfasst das Umgebungsmedium Luft oder allgemein ein Gas. In einer anderen Ausgestaltung umfasst das Umgebungsmedium eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser. In der Praxis wird ein Umgebungsmedium nicht rein sein. So umfasst beispielsweise Luft üblicherweise verdunstete Flüssigkeiten, Staub und sonstige Partikel.

Die „Ablagerungen“ können Flüssigkeiten (beispielsweise Wasser, Öl, Schweiß oder andere Körperflüssigkeiten), Feststoffe (beispielsweise Schmutz, Salz, Partikeln oder Fasern), starre Strukturen (beispielsweise Biofilmen) und/oder andere Stof- fe/Strukturen umfassen. Dabei kann sich eine Ablagerung direkt aus dem Umgebungsmedium bilden, beispielsweise durch Kondensation von Feuchtigkeit. Es ist aber auch möglich, dass sich eine Ablagerung durch chemische und/oder biologische Prozesse aus dem Umgebungsmedium bildet. Meist bedeutet dies, dass sich eine Ablagerung aus einer anderen Ablagerung bildet. Eine Ablagerung kann lediglich temporär vorhanden sein. So kann eine aus dem Umgebungsmedium kondensierte Flüssigkeit wieder verdunsten. Eine Ablagerung kann aber auch dauerhaft vorhanden sein, d.h. es ist ein Reinigungsvorgang oder eine sonstige Maßnahme erforderlich, um die Ablagerung wieder zu entfernen.

Der Begriff „Antwortverhalten“ bezieht sich ganz allgemein auf eine mechanische und/oder elektrische Reaktion der mikromechanischen Sensorstruktur auf ein Anregungssignal. Dieses Antwortverhalten kann durch verschiedene Parameter charakterisiert werden. In einer Ausgestaltung werden hierbei Frequenz, Amplitude, Phasenlage (bezogen auf das Anregungssignal oder auch zwischen Strom und Spannung), Dämpfung, spektrale Anteile und/oder ein zeitlicher Verlauf genutzt.

Entsprechend ist der Begriff „Referenzverhalten“ allgemein zu verstehen, wobei ein Referenzverhalten einen bekannten Zustand des Sensors charakterisiert. Ein Referenzverhalten kann durch einen Parameter oder einen Satz von Parametern beschrieben sein. Es ist denkbar, dass das Antwortverhalten und das Referenzverhalten durch dieselben Parameter charakterisiert sind, was eine einfache Vergleichbarkeit des Antwortverhaltens mit einem Referenzverhalten ermöglichen kann. Es ist aber auch denkbar, dass ein Parameter eines Referenzverhaltens in einen Parameter eines Antwortverhaltens umgerechnet wird oder umgekehrt.

Das „Vergleichen des Antwortverhaltens mit einem Referenzverhalten“ und das „Bestimmen eines Abweichungsmaßes“ können auf unterschiedliche Weise erfolgen. Es wird bestimmt, wie „nahe“ ein erfasstes Antwortverhalten an einem bekannten Referenzverhalten liegt oder wie „weit“ das erfasste Antwortverhalten von einem bekannten Referenzverhalten entfernt ist. Das Abweichungsmaß kennzeichnet dementsprechend den „Abstand“ zwischen einem erfassten Antwortverhalten und einem Referenzverhalten. Da der Zustand einer Referenz, die durch ein Referenzverhalten charakterisiert ist, bekannt ist, beschreibt das Abweichungsmaß, wie nahe beziehungsweise wie weit entfernt der Zustand eines aktuell untersuchten Sensors von dem Zustand der Referenz ist. Es wird also geprüft, wie gut ein Antwortverhalten zu einem Referenzverhalten passt. Auf diese Weise kann ein erfasstes Antwortverhalten klassifiziert und ein Bewerten des Zustands des Sensors durchgeführt werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar. ln einer Ausgestaltung wird in dem Schritt des Erfassens des Antwortverhaltens eine Rückwirkung der mikromechanischen Sensorstruktur auf das Anregungssignal erfasst. Hierbei wird ausgenutzt, dass die mikromechanische Sensorstruktur beziehungsweise deren Reaktion auf das Anregungssignal eine oder mehrere Kenngrößen des Anregungssignals messbar beeinflussen kann. Diese Beeinflussung kann erfasst und als Maß für ein Antwortverhalten genutzt werden. In einer Ausgestaltung erfolgt ein Ermitteln der Rückwirkung durch Analysieren der Beziehung zwischen Strom und Spannung, beispielsweise durch Ermitteln der mechanischen Impedanz, der elektrischen Impedanz oder des Gütefaktors. In einer Ausgestaltung erfolgt ein Ermitteln der Rückwirkung basierend auf einer Frequenz, beispielsweise durch Ermitteln der Eigenfrequenz oder der Resonanzfrequenz. Das Erfassen des Antwortverhaltens aus einer Rückwirkung der mikromechanischen Sensorstruktur auf das Anregungssignal bietet den Vorteil, dass sich die Auswertung und die erforderliche Auswerteeinheit vereinfacht.

In einer Ausgestaltung, die alternativ oder zusätzlich zu dem Erfassen einer Rückwirkung der mikromechanischen Sensorstruktur vorgenommen werden kann, wird in dem Schritt des Erfassens des Antwortverhaltens ein Antwortsignal erfasst, wobei das Antwortsignal durch ein Sensorsignal des Sensors bei Auslenkung der mikromechanischen Sensorstruktur durch das Anregungssignal gebildet wird. Wie das Antwortsignal konkret erzeugt wird, hängt von dem Sensor selbst und der Art der Beschaltung ab. Wäre der Sensor beispielsweise Bestandteil einer Wheatstone- Brücke ist, so würde das Anregungssignal an den Enden der Wheatstone-Brücke angelegt und das Sensorsignal durch die Brückenspannung gebildet. Andere Arten der Erzeugung eines Sensorsignals sind aus der Praxis hinlänglich bekannt. Die separate Erfassung eines Sensorsignals zur Kennzeichnung des Antwortverhaltens bietet den Vorteil, dass das Anregungssignal kürzer sein kann, was sich positiv auf den Energieverbrauch und auf die benötigte Messzeit auswirkt. Insbesondere bei einem Erfassen des Antwortverhaltens in Pausen eines Messbetriebs des Sensors lassen sich zudem Synergieeffekte erzielen, da eine Auswerteeinheit sowohl zum Erfassen des Antwortverhaltens als auch zum Bereitstellen beziehungsweise Gewinnen eines Messwerts für die physikalische Eingangsgröße genutzt werden kann.

In einer Ausgestaltung des Erfassens eines Antwortsignals kann in dem Schritt des Erzeugens eines Anregungssignals das Anregungssignal derart angepasst werden, dass ein gewünschtes Antwortsignal detektiert wird. Dadurch kann sich die Auswertung des Antwortverhaltens vereinfachen.

Das Anregungssignal weist zumindest eine Amplitudenänderung auf, sodass kein statisches Anregungssignal genutzt und die mikromechanische Sensorstruktur dynamisch ausgelenkt werden soll. Wie konkret diese Amplitudenänderung erfolgt, ist nicht entscheidend.

In einer Ausgestaltung wird das Anregungssignal als ein einzelner Impuls, als mehrere Impulse, als eine periodische Schwingung mit konstanter oder veränderlicher Frequenz und/oder als ein unterschiedlich geformtes einzelnes oder wiederholtes Muster erzeugt. Dabei kann dem Anregungssignal eine Gleichspannung überlagert sein, wodurch bei einigen Sensoren die mikromechanische Sensorstruktur in einen Bereich höherer Empfindlichkeit gebracht werden kann. Ein einzelner Impuls oder mehrere Impulse bedeuten eine einmalige oder mehrmalige kurzzeitige Änderung aus einer Ruhelage heraus. Beispielsweise kann eine Ruhelage bei 0 Volt liegen, aus der sich das Anregungssignal im Millisekundenbereich rechteckförmig auf eine höhere oder niedrigere Spannung bewegt, beispielsweise 1 ,4 Volt oder 0,8 Volt. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand ein Anregungssignal erzeugt werden. Eine Ausgestaltung des Anregungssignals als Schwingung kann ein periodisch veränderliches Signal umfassen. Dabei kann die Schwingung verschiedenste Formen annehmen. Beispielhaft, jedoch nicht auf diese beschränkt, seien rechteckförmige, sinusförmige, sägezahnförmige oder dreieckförmige Signale genannt. Bei Nutzung einer Schwingung mit veränderlicher Frequenz können wenige diskrete Frequenzstufen verwendet werden, die nacheinander angenommen werden. Es ist aber auch denkbar, dass die Frequenz (quasi-)kontinuierlich erhöht oder reduziert wird. Auf diese Weise kann das Anregungssignal auf verschiedene mögliche Ablagerungen angepasst werden. Eine Ausgestaltung des Anregungssignals als ein unterschiedlich geformtes einzelnes oder wiederholtes Muster kann durch eine Sequenz unterschiedlicher Teile des Anregungssignals gebildet sein. Dabei kann ein Teil durch eine Signalpause von einem nachfolgenden Teil getrennt sein. In einer Ausgestaltung ist ein derartiges Muster durch einen ersten Teil mit einer ersten Frequenz, eine Signalpause, einen zweiten Teil mit einer zweiten Frequenz, eine Signalpause und einen dritten Teil mit einer dritten Frequenz gebildet. In einer Ausgestaltung ist ein derartiges Muster durch einen ersten Teil in Form eines Impulses, eine Signal- pause und einen zweiten Teil im Form einer periodischen Schwingung gebildet. Diese Beispiele möglicher Ausgestaltungen zeigen, wie flexibel das Nutzen eines Musters sein kann. Derartige Muster können einmalig oder wiederholt ausgegeben werden. Die Verwendung eines Musters kann eine Unterscheidbarkeit unterschiedlicher Ablagerungen erzielen und/oder verbessern. Die konkrete Wahl einer Ausgestaltung des Anregungssignals kann basierend auf Experimenten, Berechnungen und/oder Simulationen erfolgen. So können bestimmte Anregungssignale zum Erkennen einer ersten Ablagerung besser geeignet sein als zum Erkennen einer zweiten Ablagerung. Je nach zu erwartender Ablagerung kann ein konkretes Anregungssignal mit einer bestimmten Amplitude, Frequenz, Form und/oder Verlauf gewählt werden.

In einer Ausgestaltung kann bei dem Schritt des Erfassens eines Antwortverhaltens eine Frequenz eines Sensorsignals, eine Amplitude eines Sensorsignals, eine Resonanzfrequenz, ein Gütefaktor, eine mechanische Impedanz, eine elektrische Impedanz, eine Eigenfrequenz und/oder sonstige Kenngrößen eines Antwortverhaltens der mikromechanischen Sensorstruktur bestimmt werden. Damit lässt sich ein Antwortverhalten äußerst vielseitig ermitteln.

In einer Ausgestaltung repräsentiert das Referenzverhalten einen Normalzustand des Sensors und bei dem Schritt des Vergleichens des Antwortverhaltens mit dem Referenzverhalten wird bewertet, wie weit die mikromechanische Sensorstruktur von dem Normalzustand entfernt ist und/oder ob ein Fehlerzustand des Sensors vorliegt. Für das Vorliegen eines Normalzustands könnte entschieden werden, wenn das Abweichungsmaß unterhalb eines vordefinierten Grenzwerts liegt. Für das Vorliegen eines Fehlerzustands könnte entschieden werden, wenn das Abweichungsmaß oberhalb eines vordefinierten Grenzwerts liegt, wobei der Grenzwert für den Normalzustand von dem Grenzwert für den Fehlerzustand abweichen dürfte. Dabei kann auch ein Zwischenbereich für das Abweichungsmaß definiert sein, innerhalb dessen ein Bereich zwischen einem Normalzustand und einem Fehlerzustand liegen kann. Durch den Vergleich mit einem Normalzustand lässt sich erkennen, falls der Sensor derart blockiert ist, dass sich die mikromechanische Sensorstruktur lediglich eingeschränkt oder gar überhaupt nicht mehr bewegt. ln einer Ausgestaltung repräsentiert das Referenzverhalten eine durch eine Ablagerung beeinflusste mikromechanische Sensorstruktur, wobei die Ablagerung vorzugsweise durch eine Flüssigkeit, einen Feststoff oder eine feste Struktur gebildet ist. Dabei würde bei dem Schritt des Vergleichens des Antwortverhaltens mit dem Referenzverhalten bewertet, wie nahe das Verhalten der mikromechanischen Sensorstruktur an einem Verhalten einer durch die Ablagerung beeinflussten mikromechanischen Sensorstruktur liegt. Es kann für das Vorhandensein der durch das Referenzverhalten charakterisierten Ablagerung entschieden werden, wenn das Abweichungsmaß unterhalb eines vordefinieren Grenzwerts liegt. Es ist auch denkbar, ein oder mehrere Antwortverhalten mit mehreren derartigen Referenzverhalten zu vergleichen. Auf diese Weise kann zwischen mehreren Ablagerungen unterschieden werden.

Diese Ausgestaltungen bezüglich der Nutzung von Referenzverhalten können auch kombiniert werden. Bei einer derartigen Kombination kann zunächst mit einem Referenzverhalten, das einen Normalzustand des Sensors charakterisiert, geprüft werden, ob ein generelles Problem mit dem Sensor vorliegt. Kann dies verneint werden, kann ein Vergleich mit einem oder mehreren eine Ablagerung charakterisierenden Referenzverhalten fortgefahren werden. Ein Referenzverhalten kann dabei auf unterschiedliche Weise gewonnen werden. In einer Ausgestaltung kann das Referenzverhalten bei einer Initialmessung bestimmt werden, was insbesondere für den Vergleich mit einem Normalzustand vorteilhaft ist. In einer Ausgestaltung kann das Referenzverhalten bei einer vorhergehenden Messung bestimmt worden sein. Auf diese Weise kann ermittelt werden, ob sich der Zustand des Sensors verschlechtert. Andererseits kann bei Erkennen einer Ablagerung in einer früheren Messung überprüft werden, ob die Ablagerung weiterhin vorliegt oder zwischenzeitlich, beispielsweise durch Verdunstung oder Reinigung, nicht mehr vorhanden ist.

Ein eine Ablagerung charakterisierendes Referenzverhalten kann an dem konkret zu bewertenden Sensor aufgenommen worden sein, indem bewusst eine bestimmte Ablagerung erzeugt wird, beispielsweise durch Aufbringen einer Flüssigkeitsablagerung. Ein derartiges Referenzverhalten kann aber auch bei einer Messung an einem baugleichen Sensor, bei einer Simulation und/oder durch eine Berechnung bestimmt worden sein. Ein Referenzverhalten kann aus einem oder mehreren Messpunkten definiert sein und es können Interpolationen oder Extrapolationen aus einem oder mehreren bekannten Messpunkten vorgenommen werden.

Bei Erkennen einer Ablagerung und/oder eines Nichtvorliegens eines Normalzustands kann unterschiedlich reagiert werden. In einer Ausgestaltung wird bei dem Schritt des Bewertens des Zustands des Sensors abhängig von dem Referenzverhalten und dem Abweichungsmaß eine Zuverlässigkeit gewonnener Sensordaten ermittelt und/oder ein Maß für eine Fehlerkorrektur gewonnen. Alternativ oder zusätzlich können bei dem Schritt des Bewertens des Sensors zusätzliche Maßnahmen ausgelöst werden, vorzugsweise ein Wiederherstellen des Normalzustands, eine Statusaktualisierung, eine Deaktivierung des Sensors und/ oder sonstige Abschwächungsmaßnahmen. Zum Signalisieren einer Ablagerung oder eines Fehlerzustands kann ein mit dem Sensor verbundenes Host-System genutzt werden.

In einer Ausgestaltung kann ein energiereiches Anregungssignal dazu verwendet werden, über ein geeignetes Auslenken der mikromechanischen Sensorstruktur einen Normalzustand wiederherzustellen. Ein derartiges „geeignetes Auslenken“ der mikromechanischen Sensorstruktur kann das Aufbrechen fester Strukturen bewirken, die sich durch Ablagerungen gebildet haben, oder Ablagerungen entfernen. Damit können sich die Veränderungen zurückbilden und das Antwortverhalten kann sich dem Normalzustand annähern. Ein „energiereiches Signal“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass dieses Signal eine über eine Auslenkung während einer Messung hinausgehende Auslenkung bewirkt. Je nach Ausmaß und/oder Art der Ablagerung kann diese Auslenkung bis an die Belastungsgrenze der mikromechanischen Struktur heranreichen.

In einer Ausgestaltung wird das Bewerten des Zustands des Sensors und das Auslösen zusätzlicher Maßnahmen in Form eines Regelkreises durchgeführt. Wenn ein korrekturbedürftiger Zustand erkannt wird, werden zusätzliche Maßnahmen ausgelöst und der Erfolg dieser Maßnahmen durch eine Ausgestaltung des Verfahrens überprüft. Sollte noch weiter Korrekturbedarf vorhanden sein, werden erneut zusätzliche Maßnahmen ausgelöst, und so weiter. Insbesondere bei einer zusätzlichen Maßnahme durch Wiederherstellen des Normalzustands, beispielsweise mittels ei- ner energiereichen Schwingung, kann auf diese Weise geprüft werden, ob die Maßnahmen tatsächlich einen Normalzustand wiederherstellen können.

In einer Ausgestaltung des Sensorsystems ist die Auswerteeinheit Bestandteil der Treibereinheit. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn das Antwortverhalten aus einer Rückwirkung der mikromechanischen Sensorstruktur auf das Anregungssignal ermittelt wird.

In einer Ausgestaltung des Sensorsystems sind die Treibereinheit und die Auswerteeinheit als separate Einheiten ausgebildet. Diese Ausgestaltung bietet sich dann an, wenn das Antwortverhalten aus einem Sensorsignal gewonnen wird.

In einer Ausgestaltung sind die Treibereinheit und die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, während eines Messbetriebs für ein Bereitstellen eines Messwerts für die physikalische Eingangsgröße genutzt zu werden und in einer Pause des Messbetriebs für eine Bewertung des Zustands des Sensors. Auf diese Weise ist eine Überprüfung des Status des Sensors nicht auf eine Endprüfung unmittelbar nach einer Fertigung des Sensors beschränkt. Vielmehr kann eine Überprüfung im laufenden Betrieb des Sensors und in dem jeweiligen Einsatzszenarium erfolgen. Eine Pause des Messbetriebs bedeutet nicht zwingend, dass der Sensor in eine Art „Wartungsmodus“ versetzt wird. Vielmehr ist eine Pause des Messbetriebs immer dann gegeben, wenn gerade keine Messwerte erfasst werden. Da ein Sensor üblicherweise nicht dauerhaft Messwerte gewinnt, sondern zwischen dem Erfassen von Messwerten üblicherweise Pausen, beispielsweise von mehreren Millisekunden, einzelnen oder mehreren Sekunden oder im Minutenbereich, liegen, bleiben meist ausreichend Pausen, die zum Überprüfen des Status genutzt werden können.

In einer Ausgestaltung umfasst das Sensorsystem ein Host-System, wobei das Host-System über eine Schnittstelle kommunizierend mit der Auswerteeinheit und/oder der Bewertungseinheit verbunden ist. Dieses Host-System kann dazu ausgebildet sein, ein Bewerten des Zustands des Sensors anzustoßen und/oder zumindest Teile der Bewertungseinheit zu implementieren.

In einer Ausgestaltung ist das Sensorsystem zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet. Dabei kann das Verfahren in regelmäßigen Zeitab- ständen durchgeführt werden. Eine Durchführung des Verfahrens kann automatisch, durch ein konkretes Ereignis oder von einem mit dem Sensor verbundenen Host-System ausgelöst werden. Eine automatische Auslösung kann umfassen, dass ein Bewerten des Zustands des Sensors nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne durchgeführt wird. Diese Zeitspanne kann ein oder mehrere Tage, eine oder mehrere Stunden, 30 Minuten, 15 Minuten oder eine oder mehrere Minuten umfassen, um lediglich einige denkbare Beispiele zu nennen. Ein konkretes Ereignis kann durch ein Starten einer Elektronik des Sensors, ein Wechsel von einem Ruhezustand in einen aktiven Zustand - oder umgekehrt - oder ein Vorhandensein eines speziellen Werts in einem Auslöse-Register gebildet sein. Letzteres kann auch von einem Host-System genutzt werden, um eine Durchführung des Verfahrens auszulösen. Ein Host-System kann jedoch auch über eine anders geartete Schnittstelle verfügen, um eine Prüfung des Zustands des Sensors auszulösen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Dabei zeigt

Figur 1 eine schematische Schnittzeichnung durch einen Sensor mit einer mikromechanischen Sensorstruktur, Figur 2 eine schematische Schnittzeichnung durch den Sensor gemäß Figur 1 mit einem Flüssigkeitstropfen als Ablagerung auf der mikromechanischen Sensorstruktur,

Figur 3 ein Schaltbild mit Elementen einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems,

Figur 4 ein Ablaufdiagramm für eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bewerten des Zustands eines Sensors,

Figur 5 ein Ablaufdiagramm mit Schritten zum Erzeugen von Referenzverhalten,

Figur 6 ein Blockdiagramm mit Funktionseinheiten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorsystems und

Figur 7 ein Ablaufdiagramm für eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Regelkreis.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine schematische Schnittzeichnung durch einen Sensor 1 mit einer mikromechanischen Sensorstruktur 2, der im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann. Der Sensor 1 ist durch einen Drucksensor gebildet, der eine auslenkbare mikromechanische Sensorstruktur 2 umfasst. Die Sensorstruktur 2 umfasst eine federnd aufgehängte Elektrode 3 sowie zwei fest angeordnete Referenzelektroden 4 und zwei fest angeordnete Messelektroden 5. Die Elektrode 3 bildet zusammen mit den beiden Messelektroden 5 zwei Sensorkapazitäten und zusammen mit den beiden Referenzelektroden zwei Referenzkapazitäten. Die Sensorkapazitäten und Referenzkapazitäten sind als Wheatstone-Brücke verschaltet. Der Sensor 1 ist Teil eines Sensorsystems 10, das zusätzlich eine Treibereinheit 14 zum Erzeugen von Anregungssignalen zum Auslenken der federnd aufgehängten Elektrode 3 umfasst. Die Auslenkung ist als gestrichelte Linie angedeutet. Die mikromechanische Sensorstruktur 2 ist in einem nach oben hin offenen Gehäuse 6 angeordnet und durch ein Schutzmittel 7, beispielsweise einem Gel, ge- schützt. Dadurch wirkt ein den Sensor 1 umgebendes Umgebungsmedium 8 indirekt auf die mikromechanische Sensorstruktur 2 ein. Ändert sich ein Druck des Umgebungsmediums 8, wirkt sich dieser sich ändernde Druck auf den Abstand der Elektrode 3 relativ zu den Messelektroden 5 aus, wodurch sich die durch die mikromechanische Sensorstruktur gebildeten Kapazitäten messbar ändern.

Das Sensorsystem umfasst ferner eine Auswerteeinheit und eine Bewertungseinheit, die in einem ASIC - Application Specific Integrated Circuit - 36 implementiert sind und sich ebenfalls in dem Gehäuse 6 befinden. Die Auswerteeinheit ist zum Ermitteln eines Antwortverhaltens der mikromechanischen Sensorstruktur 2 in Reaktion auf das Anregungssignal und zum Bilden eines Abweichungsmaß basierend auf einem Vergleich des Antwortverhaltens mit einem Referenzverhalten ausgebildet. Die Bewertungseinheit ist zum Bewerten des Zustands des Sensors 1 hinsichtlich des Vorhandenseins einer Ablagerung basierend auf dem Abweichungsmaß ausgebildet ist.

In Figur 2 ist ein Fall dargestellt, bei dem sich auf dem Schutzmittel 7 eine Ablagerung 9 gebildet hat. In dem dargestellten Fall ist die Ablagerung 9 durch einen Wassertropfen gebildet. Diese Ablagerung 9 wirkt sich auf die Messungen des Sensors 1 aus. Ein Anregungssignal kann die Elektrode 3 weniger stark auslenken, was durch die unterschiedlichen Amplituden der Auslenkung der federnd aufgehängten Elektrode 3 in den Figuren 1 und 2 verdeutlicht ist. Mit dem hier beschriebenen Verfahren kann das Vorhandensein dieser Ablagerung ermittelt werden.

Figur 3 zeigt ein Schaltbild mit Elementen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorsystems. Das Sensorsystem 10 umfasst einen Sensor 1 , der vier in einer Wheatstone-Vollbrücke verschaltete Kapazitäten 11 , 12 umfasst: Zwei von einem äußeren Druck abhängige Sensorkapazitäten 11 und zwei Referenzkapazitäten 12. An den Enden 13 der Wheatstone-Brücke wird ein Anregungssignal 20 eingegeben, das von einer Treibereinheit 14 erzeugt und ausgegeben wird. Die Brückenspannung UB der Wheatstone-Brücke wird in eine Auswerteeinheit 15 eingegeben.

Die Treibereinheit 14 umfasst eine Referenzspannungsquelle 16, eine Zerhackerschaltung 17 sowie eine Offsetspannungsquelle 18. Eine durch die Referenzspan- nungsquelle 16 erzeugte Referenzspannung wird in die Zerhackerschaltung 17 eingegeben, die basierend auf ein Zerhackersignal 19 ein Anregungssignal 20 erzeugt und ausgibt. Das Anregungssignal 20 wechselt zwischen der Referenzspannung und einem Lowpegel, der in diesem Fall durch die invertierte Referenzspannung gebildet ist. Die Offsetspannungsquelle 18 kann dazu genutzt werden, das Anregungssignal 20 zu höheren oder niedrigeren Spannungen zu verschieben.

Die Auswerteeinheit 15 umfasst einen Gleichrichter 21 , einen Verstärker 22 sowie einen Analog-Digital-Wandler 23. Die an der Wheatstone-Brücke abgegriffene Brückenspannung UB wird in den Gleichrichter 21 eingegeben und dort zu einer positiven Spannung gleichgerichtet. In dem dargestellten Fall erfolgt dies unter Nutzung des Zerhackersignals 19. Das gleichgerichtete Signal wird in den Verstärker 22 eingegeben und das durch den Verstärker 22 verstärkte Signal durch den Analog- Digital-Wandler 23 in ein digitales Sensorsignal 24 gewandelt. Dieses digitale Sensorsignal 24 wird in einen Vergleicher 25 eingegeben, in dem aus dem digitalen Sensorsignal 24 ein Antwortverhalten extrahiert und mit einem Referenzverhalten verglichen wird. Ein auf diese Weise bestimmtes Abweichungsmaß 26 wird in eine Bewertungseinheit 27 eingegeben. Dort wird basierend auf dem Abweichungsmaß der Zustand des Sensors hinsichtlich dem Vorhandensein einer Ablagerung bewertet.

Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Schritten eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bewerten des Zustands eines Sensors. In Schritt S1 wird die Durchführung des Verfahrens ausgelöst. Dies kann beispielsweise durch ein Host- System erfolgen. In Schritt S2 wird ein Anregungssignal erzeugt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel gibt es verschiedene Optionen, wie dieses Anregungssignal erzeugt werden kann. Gemäß Schritt S2.1 wird ein einzelner Impuls erzeugt. Gemäß Schritt S2.2 werden mehrere Impulse erzeugt. Gemäß Schritt 2.3 wird ein Anregungssignal erzeugt, das die mikromechanische Sensorstruktur dynamisch im Eigenmodus anregt. In den beiden Teilen des Schritts 2.4 wird eine statische Auslenkung durch eine Offsetspannung erzeugt (Schritt 2.4.1), die zu einem dynamisch im Eigenmodus anregenden Anregungssignal addiert wird (Schritt 2.4.2). In Schritt 2.5 werden andere Anregungssignale erzeugt, wie beispielsweise ein sinusförmiges Anregungssignal mit zunehmender Frequenz. In Schritt S3 wird das erzeugte Anre- gungssignal auf die mikromechanische Sensorstruktur gegeben und damit eine Auslenkung der mikromechanischen Sensorstruktur bewirkt.

In Schritt S4 wird das Antwortverhalten der mikromechanischen Sensorstruktur auf das Anregungssignal erfasst. Dieses Antwortverhalten wird gemäß Schritt S4.1 aus der Rückwirkung der mikromechanischen Sensorstruktur auf das Anregungssignal gemittelt, beispielsweise durch Bestimmen eines Qualitätsfaktors oder durch Bestimmen einer Impedanz. In dem alternativ oder parallel zu Schritt S4.1 durchgeführten Schritt S4.2 wird ein Sensorsignal erfasst und daraus das Antwortverhalten erfasst.

Das erfasste Antwortverhalten wird in Schritt S5 mit einem Referenzverhalten verglichen, das einen Normalzustand des Sensors charakterisiert. Bei dem Vergleich wird ein Abweichungsmaß bestimmt, das für das Erkennen eines Normalzustands kleiner als ein vordefinierter erster Grenzwert sein muss. In Schritt S6 wird geprüft, ob ein Normalzustand vorliegt. Trifft dies zu („Yes“; linker Zweig aus Schritt S6), wird in Schritt S7 den Messwerten des Sensors weiterhin vertraut und danach das Verfahren beendet. Liegt kein Normalzustand vor („No“; rechter Zweig aus Schritt S6), werden weitere Überprüfungen angeschlossen.

Als erster Schritt dieser weiteren Überprüfung wird in Schritt S8 zunächst geprüft, ob eine generelle Fehlfunktion vorliegt. Hierzu kann geprüft werden, ob der Abstand zwischen dem Antwortverhalten und dem Referenzverhalten, das den Normalzustand des Sensors charakterisiert, einen vordefinierten zweiten Grenzwert überschreitet. Alternativ kann das Antwortverhalten mit einem anderen Referenzverhalten verglichen werden, das ein Fehlverhalten des Sensors charakterisiert. Liegt eine Fehlfunktion vor („Yes“; linker Zweig aus Schritt S8), wird den weiteren Messwerten des Sensors nicht mehr vertraut (Schritt S9.1). Alternativ oder zusätzlich kann in Schritt S9.2 ein Neustart der Elektronik des Sensors ausgelöst werden, was in vielen Fällen eine Fehlfunktion beheben kann. Nach dem Schritt S9.1 bzw. S9.2 wird das Verfahren beendet.

Liegt keine Fehlfunktion vor („No“; rechter Zweig aus Schritt S8), wird in Schritt S10 geprüft, ob eine Ablagerung vorhanden ist. Hierzu wird das erfasste Antwortverhalten mit einem (oder auch mehreren) weiteren Referenzverhalten verglichen, das eine Ablagerung auf dem Sensor charakterisiert. Kann das Antwortverhalten mit einer der untersuchten Ablagerungen in Verbindung gebracht werden („Yes“; linker Zweig aus Schritt S10), wird in Schritt S11.1 die Art und in Schritt S11.2 die Masse der Ablagerung ermittelt. Je nach Ausmaß der Ablagerung kann einem von dem Sensor erzeugten Messwert misstraut (Schritt S12.1) oder eine Kompensation der erzeugten Messwerte eingeleitet werden (Schritt S12.2). Kann das erfasste Antwortverhalten nicht mit einem der weiteren Referenzverhalten in Verbindung gebracht werden („No“; rechter Zweig aus Schritt S10), wird einem durch den Sensor erzeugten Messwert in Schritt 13 generell misstraut.

In Figur 5 ist ein Ablaufdiagramm mit Schritten dargestellt, die zum Erzeugen von Referenzverhalten genutzt werden können. In Schritt S14 wird zunächst ein Sensor genutzt, der voll funktionsfähig ist und keine Ablagerungen aufweist. Der Sensor wird mit einem Anregungssignal beaufschlagt und ein Antwortverhalten erfasst. In Schritt S15 wird bewusst eine Fehlfunktion des Sensors herbeigeführt, indem beispielsweise die mikromechanische Struktur festgeklebt wird. Auch hier wird die mikromechanische Sensorstruktur mit einem Anregungssignal beaufschlagt und ein Antwortverhalten erfasst. In Schritt S16 wird auf einem prinzipiell funktionsfähigen Sensor bewusst eine Ablagerung erzeugt, indem beispielsweise ein Wassertropfen aufgebracht wird. Auch hier wird die mikromechanische Sensorstruktur mit einem Anregungssignal beaufschlagt und ein Antwortverhalten erfasst. In Schritt S17 werden Referenzverhalten abgespeichert. Diese Referenzverhalten können durch die Antwortverhalten des Sensors bei dem jeweils bekannten Zustand (Normalzustand, festgeklebt, Ablagerung 1 , Ablagerung 2, ...) gebildet sein. Es ist auch denkbar, dass die Antwortverhalten noch umgerechnet werden, beispielsweise mit einer Mittelwertbildung aus mehreren Messungen und/oder für mehrere unterschiedliche Sensoren und/oder einer Normierung gewonnener Werte.

Figur 6 zeigt ein Blockdiagramm mit Funktionseinheiten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensorsystems. Das Sensorsystem 10 umfasst einen Sensor 1 , der von einer Treibereinheit 14 mit einem Anregungssignal 20 beaufschlagt werden kann. Eine Wandlereinheit 28, in der ein analoges Frontend, ein Analog-Digital-Wandler und eventuell weitere Einheiten zur Aufbereitung eines Sensorsignals zusammengefasst sind, erhält von dem Sensor 1 ein Sensorsignal und erzeugt daraus einen digitalisieren Messwert. Dieser digitalisierte Messwert wird in eine digitale Signalverarbeitung 29 eingegeben, die zum einen die Erzeugung des Anregungssignals 20 steuert, zum anderen den digitalisierten Messwert auswertet und ein Antwortverhalten des Sensors 1 ermittelt. Die digitale Signalverarbeitung 29 ist mit einem digitalen Kern 30 verbunden, der eine Weiterverarbeitung des Antwortverhaltens und die Bewertung des Zustands des Sensors 1 durchführt. Hierzu kann der digitale Kern 30 auf einen Mikrocontroller 31 zurückgreifen und Daten, beispielsweise Referenzverhalten, aus einem nichtflüchtigen Speicher 32 laden. Ergebnisse können über eine digitale Schnittstelle 33 ausgegeben werden. Die einzelnen zuvor genannten Funktionseinheiten sind durch eine Spannungsversorgung 34 mit Energie versorgt. Die digitale Schnittstelle 33 kann zur Kommunikation mit einem Host-System 35 genutzt werden.

In Figur 7 ist ein Ablaufdiagramm mit einer Ausgestaltung eines Verfahrens mit einem Regelkreis dargestellt. In Schritt S18 wird ein Anregungssignal auf die mikromechanische Sensorstruktur gegeben, das Antwortverhalten der mikromechanischen Sensorstruktur erfasst und ein Abweichungsmaß zwischen dem Antwortverhalten und einem Referenzverhalten bestimmt. In Schritt S19 wird das Abweichungsmaß genutzt, um den Zustand des Sensors zu bewerten. Stellt sich hierbei heraus, dass korrekturbedürftige Abweichungen von einem Normalzustand vorliegen oder dass deren Auswirkungen reduziert werden sollten, werden in Schritt S20 zusätzliche Maßnahmen eingeleitet. In dem vorliegenden Fall umfassen diese zusätzlichen Maßnahmen das Erzeugen von energiereichen Schwingungen, wodurch Ablagerungen aufgebrochen werden können. Zum Bewerten der Effektivität dieser zusätzlichen Maßnahmen wird zu den Schritten S18 und S19 zurückgekehrt und der Zustand erneut bewertet. Wenn der Zustand wieder ein Normalzustand ist oder sich dieser einem Normalzustand angenähert hat, wird die Schleife verlassen. Es kann ein Schleifenzähler vorgesehen sein, der jeden Durchlauf der Schleife zählt und bei Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl von Durchläufen die Schleife abbricht und einen Fehler ausgibt.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.